Sluneční plachta je způsob, jak pohánět kosmickou loď pomocí tlaku světla a plynů o vysoké rychlosti (také nazývaného tlak slunečního světla) emitovaných hvězdou. Pojďme se blíže podívat na jeho zařízení.
Používání plachty znamená nízkonákladové cestování vesmírem v kombinaci s prodlouženou životností. Kvůli nedostatku mnoha pohyblivých částí a také nutnosti používat pohonnou látku je taková loď potenciálně znovu použitelná pro doručování užitečného zatížení. Někdy se také používají názvy light nebo photon sail.
Příběh konceptu
Johannes Kepler si jednou všiml, že ohon komety se dívá pryč od Slunce, a navrhl, že je to hvězda, která vytváří tento efekt. V dopise Galileovi v roce 1610 napsal: "Poskytněte lodi plachtu přizpůsobenou slunečnímu vánku a najdou se tací, kteří se odváží prozkoumat tuto prázdnotu." Možná těmito slovy odkazoval právě na fenomén „ohonu komety“, ačkoli publikace na toto téma se objevily o několik let později.
James K. Maxwell v 60. letech 19. století publikoval teorii elektromagnetického pole azáření, ve kterém ukázal, že světlo má hybnost a tak může vyvíjet tlak na předměty. Maxwellovy rovnice poskytují teoretický základ pro lokomoci lehkého tlaku. Proto již v roce 1864 bylo ve fyzikální komunitě i mimo ni známo, že sluneční světlo nese impuls, který vyvíjí tlak na objekty.
Nejprve Pyotr Lebedev experimentálně prokázal tlak světla v roce 1899 a poté Ernest Nichols a Gordon Hull provedli podobný nezávislý experiment v roce 1901 pomocí Nicholsova radiometru.
Albert Einstein představil jinou formulaci, která uznává ekvivalenci hmoty a energie. Nyní můžeme jednoduše napsat p=E/c jako poměr mezi hybností, energií a rychlostí světla.
Svante Arrhenius v roce 1908 předpověděl možnost tlaku slunečního záření přenášejícího živé spory na mezihvězdné vzdálenosti a v důsledku toho koncept panspermie. Byl prvním vědcem, který tvrdil, že světlo může pohybovat objekty mezi hvězdami.
Friedrich Zander publikoval článek obsahující technickou analýzu sluneční plachty. Napsal o „použití obrovských a velmi tenkých plátů zrcadel“a „tlaku slunečního světla k dosažení kosmické rychlosti.“
První formální projekty na vývoj této technologie začaly v roce 1976 v Jet Propulsion Laboratory pro navrhovanou misi setkání s Halleyovou kometou.
Jak funguje solární plachta
Světlo ovlivňuje všechna vozidla na oběžné dráze planety nebo uvnitřmeziplanetární prostor. Například konvenční kosmická loď mířící na Mars by byla od Slunce vzdálena více než 1000 km. Tyto efekty byly zohledněny při plánování trajektorie cestování vesmírem od úplně první meziplanetární kosmické lodi v 60. letech 20. století. Radiace má vliv i na polohu vozidla a tento faktor je třeba zohlednit při konstrukci lodi. Síla na sluneční plachtu je 1 newton nebo méně.
Použití této technologie je vhodné na mezihvězdných drahách, kde se jakákoliv akce provádí pomalým tempem. Vektor síly lehké plachty je orientován podél sluneční linie, což zvyšuje energii oběžné dráhy a úhlovou hybnost, což způsobuje, že se loď pohybuje dále od Slunce. Chcete-li změnit sklon oběžné dráhy, vektor síly je mimo rovinu vektoru rychlosti.
Ovládání polohy
Attitude Control System (ACS) kosmické lodi je potřeba k dosažení a změně požadované polohy při cestování vesmírem. Nastavená poloha aparátu se mění velmi pomalu, v meziplanetárním prostoru často méně než jeden stupeň za den. Tento proces probíhá mnohem rychleji na oběžných drahách planet. Řídicí systém pro vozidlo využívající solární plachtu musí splňovat všechny požadavky na orientaci.
Kontrola je dosažena relativním posunem mezi středem tlaku nádoby a jejím těžištěm. Toho lze dosáhnout pomocí ovládacích lopatek, pohybem jednotlivých plachet, pohybem kontrolní hmoty nebo změnou reflexního prvkuschopnosti.
Státá poloha vyžaduje, aby ACS udržoval čistý točivý moment na nule. Moment síly plachty není po trajektorii konstantní. Změny se vzdáleností od slunce a úhlem, což koriguje hřídel plachty a vychyluje některé prvky nosné konstrukce, což má za následek změny síly a točivého momentu.
Omezení
Solární plachta nebude schopna pracovat ve výšce nižší než 800 km od Země, protože do této vzdálenosti síla odporu vzduchu převyšuje lehkou tlakovou sílu. To znamená, že vliv slunečního tlaku je slabě patrný a prostě to nebude fungovat. Rychlost otáčení plachetnice musí být kompatibilní s oběžnou dráhou, což je obvykle problém pouze u konfigurací s rotujícím diskem.
Provozní teplota závisí na sluneční vzdálenosti, úhlu, odrazivosti a předních a zadních radiátorech. Plachtu lze používat pouze tam, kde je teplota udržována v mezích materiálu. Obecně ji lze použít poměrně blízko ke slunci, kolem 0,25 AU, pokud je loď pro tyto podmínky pečlivě navržena.
Konfigurace
Eric Drexler vyrobil prototyp solární plachty ze speciálního materiálu. Jedná se o rám s panelem z tenké hliníkové fólie o tloušťce 30 až 100 nanometrů. Plachta se otáčí a musí být neustále pod tlakem. Tento typ konstrukce má vysokou plochu na jednotku hmotnosti a protozrychlení "padesátkrát rychlejší" než ty, které jsou založeny na nasazovacích plastových fóliích. Je to čtvercová plachta se stěžněmi a dvojitými čarami na temné straně plachty. Čtyři protínající se stožáry a jeden kolmý ke středu pro držení drátů.
Elektronický design
Pekka Janhunen vynalezl elektrickou plachtu. Mechanicky má s tradičním světelným designem pramálo společného. Plachty jsou nahrazeny narovnanými vodivými kabely (dráty) uspořádanými radiálně kolem lodi. Vytvářejí elektrické pole. Zasahuje několik desítek metrů do plazmatu okolního slunečního větru. Sluneční elektrony jsou odráženy elektrickým polem (jako fotony na tradiční sluneční plachtě). Loď lze řídit regulací elektrického náboje drátů. Elektrická plachta má 50-100 narovnaných drátů, asi 20 km dlouhých.
Z čeho je vyroben?
Materiál vyvinutý pro solární plachtu Drexler je tenký hliníkový film o tloušťce 0,1 mikrometru. Jak se očekávalo, prokázal dostatečnou pevnost a spolehlivost pro použití ve vesmíru, ale ne pro skládání, vypouštění a rozmístění.
Nejběžnějším materiálem v moderních designech je hliníková fólie "Kapton" o velikosti 2 mikrony. Odolává vysokým teplotám v blízkosti Slunce a je dostatečně pevný.
Bylo tam několik teoretickýchspekulace o aplikaci molekulárních výrobních technik k vytvoření pokročilé, silné, ultralehké plachty založené na mřížkách z nanotrubiček, kde tkané „mezery“jsou menší než polovina vlnové délky světla. Takový materiál byl vytvořen pouze v laboratoři a prostředky pro výrobu v průmyslovém měřítku zatím nejsou k dispozici.
Lehká plachta otevírá skvělé vyhlídky na mezihvězdné cestování. Samozřejmě stále existuje mnoho otázek a problémů, kterým bude třeba čelit, než se cestování vesmírem s takovým designem kosmické lodi stane pro lidstvo běžnou věcí.
