Ένα ηλιακό πανί είναι ένας τρόπος να προωθηθεί ένα διαστημόπλοιο χρησιμοποιώντας την πίεση του φωτός και των αερίων υψηλής ταχύτητας (ονομάζονται επίσης ηλιακή πίεση φωτός) που εκπέμπονται από ένα αστέρι. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη συσκευή του.
Η χρήση πανιού σημαίνει διαστημικό ταξίδι χαμηλού κόστους σε συνδυασμό με εκτεταμένη διάρκεια ζωής. Λόγω της έλλειψης πολλών κινούμενων μερών, καθώς και της ανάγκης χρήσης προωθητικού, ένα τέτοιο πλοίο είναι δυνητικά επαναχρησιμοποιήσιμο για την παράδοση ωφέλιμων φορτίων. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται και τα ονόματα light ή photon sail.
Εννοιολογική ιστορία
Ο Johannes Kepler παρατήρησε κάποτε ότι η ουρά ενός κομήτη κοιτάζει μακριά από τον Ήλιο και πρότεινε ότι είναι το αστέρι που παράγει αυτό το φαινόμενο. Σε μια επιστολή προς τον Γαλιλαίο το 1610, έγραψε: «Δώστε στο πλοίο ένα πανί προσαρμοσμένο στο ηλιακό αεράκι και θα υπάρξουν εκείνοι που θα τολμήσουν να εξερευνήσουν αυτό το κενό». Ίσως, με αυτά τα λόγια, αναφέρθηκε ακριβώς στο φαινόμενο της «ουράς κομήτη», αν και δημοσιεύσεις για αυτό το θέμα εμφανίστηκαν αρκετά χρόνια αργότερα.
Ο Τζέιμς Κ. Μάξγουελ στη δεκαετία του '60 του 19ου αιώνα δημοσίευσε τη θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου καιακτινοβολία, στην οποία έδειξε ότι το φως έχει ορμή και έτσι μπορεί να ασκήσει πίεση σε αντικείμενα. Οι εξισώσεις του Maxwell παρέχουν τη θεωρητική βάση για την κίνηση ελαφριάς πίεσης. Ως εκ τούτου, ήδη από το 1864, ήταν γνωστό εντός και εκτός της κοινότητας της φυσικής ότι το ηλιακό φως μεταφέρει μια ώθηση που ασκεί πίεση σε αντικείμενα.
Πρώτα, ο Pyotr Lebedev έδειξε πειραματικά την πίεση του φωτός το 1899, και στη συνέχεια ο Ernest Nichols και ο Gordon Hull διεξήγαγαν ένα παρόμοιο ανεξάρτητο πείραμα το 1901 χρησιμοποιώντας το ραδιόμετρο Nichols.
Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εισήγαγε μια διαφορετική διατύπωση, αναγνωρίζοντας την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας. Τώρα μπορούμε απλά να γράψουμε p=E/c ως την αναλογία μεταξύ της ορμής, της ενέργειας και της ταχύτητας του φωτός.
Ο Svante Arrhenius προέβλεψε το 1908 την πιθανότητα πίεσης από την ηλιακή ακτινοβολία που μεταφέρει ζωντανά σπόρια σε διαστρικές αποστάσεις και, ως αποτέλεσμα, την έννοια της πανσπερμίας. Ήταν ο πρώτος επιστήμονας που ισχυρίστηκε ότι το φως μπορούσε να μετακινήσει αντικείμενα μεταξύ των άστρων.
Ο Friedrich Zander δημοσίευσε μια εργασία που περιλαμβάνει μια τεχνική ανάλυση του ηλιακού πανιού. Έγραψε για τη «χρήση τεράστιων και πολύ λεπτών φύλλων καθρεφτών» και «την πίεση του ηλιακού φωτός για την επίτευξη κοσμικών ταχυτήτων».
Τα πρώτα επίσημα έργα για την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας ξεκίνησαν το 1976 στο Jet Propulsion Laboratory για μια προτεινόμενη αποστολή ραντεβού με τον κομήτη του Halley.
Πώς λειτουργεί ένα ηλιακό πανί
Το φως επηρεάζει όλα τα οχήματα στην τροχιά του πλανήτη ή εντόςδιαπλανητικός χώρος. Για παράδειγμα, ένα συμβατικό διαστημόπλοιο με προορισμό τον Άρη θα απέχει περισσότερο από 1.000 km από τον Ήλιο. Αυτά τα αποτελέσματα έχουν ληφθεί υπόψη στον σχεδιασμό της τροχιάς του διαστημικού ταξιδιού από το πρώτο διαπλανητικό διαστημόπλοιο τη δεκαετία του 1960. Η ακτινοβολία επηρεάζει επίσης τη θέση του οχήματος και αυτός ο παράγοντας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον σχεδιασμό του πλοίου. Η δύναμη στο ηλιακό πανί είναι 1 Newton ή λιγότερο.
Η χρήση αυτής της τεχνολογίας είναι βολική σε διαστρικές τροχιές, όπου οποιαδήποτε ενέργεια εκτελείται με χαμηλό ρυθμό. Το διάνυσμα δύναμης του ελαφρού πανιού είναι προσανατολισμένο κατά μήκος της γραμμής του ήλιου, γεγονός που αυξάνει την ενέργεια της τροχιάς και τη γωνιακή ορμή, αναγκάζοντας το πλοίο να απομακρυνθεί περισσότερο από τον ήλιο. Για να αλλάξετε την κλίση της τροχιάς, το διάνυσμα δύναμης βρίσκεται εκτός του επιπέδου του διανύσματος ταχύτητας.
Έλεγχος θέσης
Ένα σύστημα ελέγχου στάσης διαστημικού σκάφους (ACS) απαιτείται για να φτάσει και να αλλάξει την επιθυμητή θέση ενώ ταξιδεύει στο Σύμπαν. Η καθορισμένη θέση της συσκευής αλλάζει πολύ αργά, συχνά λιγότερο από έναν βαθμό την ημέρα στον διαπλανητικό χώρο. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει πολύ πιο γρήγορα στις τροχιές των πλανητών. Το σύστημα ελέγχου για ένα όχημα που χρησιμοποιεί ηλιακό πανί πρέπει να πληροί όλες τις απαιτήσεις προσανατολισμού.
Ο έλεγχος επιτυγχάνεται με μια σχετική μετατόπιση μεταξύ του κέντρου πίεσης του σκάφους και του κέντρου μάζας του. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με πτερύγια ελέγχου, μετακίνηση μεμονωμένων πανιών, μετακίνηση μάζας ελέγχου ή αλλαγή του ανακλαστήραικανότητες.
Η όρθια θέση απαιτεί η ACS να διατηρεί την καθαρή ροπή στο μηδέν. Η ροπή δύναμης του πανιού δεν είναι σταθερή κατά μήκος της τροχιάς. Αλλαγές με την απόσταση από τον ήλιο και τη γωνία, που διορθώνει τον άξονα του πανιού και εκτρέπει ορισμένα στοιχεία της δομής στήριξης, με αποτέλεσμα αλλαγές στη δύναμη και τη ροπή.
Περιορισμοί
Το ηλιακό πανί δεν θα μπορεί να λειτουργήσει σε υψόμετρο μικρότερο από 800 km από τη Γη, αφού μέχρι αυτή την απόσταση η δύναμη αντίστασης του αέρα υπερβαίνει τη δύναμη ελαφριάς πίεσης. Δηλαδή, η επίδραση της ηλιακής πίεσης είναι ασθενώς αισθητή και απλά δεν θα λειτουργήσει. Ο ρυθμός στροφής του ιστιοπλοϊκού σκάφους πρέπει να είναι συμβατός με την τροχιά, η οποία είναι συνήθως πρόβλημα μόνο για τις διαμορφώσεις περιστρεφόμενων δίσκων.
Η θερμοκρασία λειτουργίας εξαρτάται από την ηλιακή απόσταση, τη γωνία, την ανακλαστικότητα και τα μπροστινά και πίσω θερμαντικά σώματα. Το πανί μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο όπου η θερμοκρασία διατηρείται εντός των ορίων υλικού του. Μπορεί γενικά να χρησιμοποιηθεί αρκετά κοντά στον ήλιο, περίπου 0,25 AU, εάν το πλοίο έχει σχεδιαστεί προσεκτικά για αυτές τις συνθήκες.
Διαμόρφωση
Ο Eric Drexler έφτιαξε ένα πρωτότυπο ηλιακό πανί από ειδικό υλικό. Είναι ένα πλαίσιο με πάνελ από λεπτή μεμβράνη αλουμινίου με πάχος από 30 έως 100 νανόμετρα. Το πανί περιστρέφεται και πρέπει να είναι συνεχώς υπό πίεση. Αυτός ο τύπος κατασκευής έχει υψηλή επιφάνεια ανά μονάδα μάζας και επομένωςεπιτάχυνση «πενήντα φορές πιο γρήγορη» από αυτές που βασίζονται σε αναπτυσσόμενες πλαστικές μεμβράνες. Είναι ένα τετράγωνο πανί με κατάρτια και δίδυμες γραμμές στη σκοτεινή πλευρά του πανιού. Τέσσερις τεμνόμενοι ιστοί και ένας κάθετος στο κέντρο για να συγκρατούν τα καλώδια.
Ηλεκτρονικός σχεδιασμός
Ο Pekka Janhunen εφηύρε το ηλεκτρικό πανί. Μηχανικά, έχει λίγα κοινά με τον παραδοσιακό σχεδιασμό φωτός. Τα πανιά αντικαθίστανται από ισιωμένα αγώγιμα καλώδια (σύρματα) διατεταγμένα ακτινικά γύρω από το πλοίο. Δημιουργούν ηλεκτρικό πεδίο. Εκτείνεται αρκετές δεκάδες μέτρα στο πλάσμα του γύρω ηλιακού ανέμου. Τα ηλιακά ηλεκτρόνια αντανακλώνται από το ηλεκτρικό πεδίο (όπως τα φωτόνια σε ένα παραδοσιακό ηλιακό πανί). Το πλοίο μπορεί να κατευθύνεται ρυθμίζοντας το ηλεκτρικό φορτίο των καλωδίων. Το ηλεκτρικό πανί έχει 50-100 ισιωμένα καλώδια, μήκους περίπου 20 km.
Από τι είναι φτιαγμένο;
Το υλικό που αναπτύχθηκε για το ηλιακό πανί της Drexler είναι μια λεπτή μεμβράνη αλουμινίου πάχους 0,1 μικρομέτρων. Όπως αναμενόταν, έχει επιδείξει επαρκή αντοχή και αξιοπιστία για χρήση στο διάστημα, αλλά όχι για αναδίπλωση, εκτόξευση και ανάπτυξη.
Το πιο κοινό υλικό σε μοντέρνα σχέδια είναι το φιλμ αλουμινίου "Kapton" μεγέθους 2 microns. Αντιστέκεται στις υψηλές θερμοκρασίες κοντά στον Ήλιο και είναι αρκετά δυνατό.
Υπήρχαν κάποιες θεωρητικέςεικασίες σχετικά με την εφαρμογή τεχνικών μοριακής κατασκευής για τη δημιουργία ενός προηγμένου, ισχυρού, εξαιρετικά ελαφρού πανιού βασισμένου σε πλέγματα υφασμάτων νανοσωλήνων όπου τα υφαντά "κενά" είναι μικρότερα από το μισό μήκος κύματος του φωτός. Ένα τέτοιο υλικό δημιουργήθηκε μόνο στο εργαστήριο και τα μέσα για την κατασκευή σε βιομηχανική κλίμακα δεν είναι ακόμη διαθέσιμα.
Το ελαφρύ πανί ανοίγει μεγάλες προοπτικές για διαστρικά ταξίδια. Φυσικά, υπάρχουν ακόμα πολλά ερωτήματα και προβλήματα που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού το ταξίδι στο σύμπαν με ένα τέτοιο σχέδιο διαστημικού σκάφους γίνει κάτι κοινό για την ανθρωπότητα.
