Wszyscy znamy ideę żagli słonecznych do eksploracji Układu Słonecznego przy użyciu ciśnienia światła słonecznego. Ale jest jeszcze inny układ napędowy, który mógłby wykorzystać moc Słońca, żagle elektryczne, i jest to całkiem ekscytujący pomysł.
Kilka tygodni temu zadałem pytanie, które ktoś miał na temat moich ulubionych egzotycznych układów napędowych, i podważyłem kilka pomysłów, które uważam za ekscytujące: żagle słoneczne, rakiety nuklearne, silniki jonowe itp. Ale pojawia się kolejny system napędowy i zupełnie zapomniałem o tym wspomnieć, ale jest to jeden z najlepszych pomysłów, jaki od pewnego czasu słyszałem: żagle elektryczne.
Jak zapewne wiesz, żagiel słoneczny działa poprzez wykorzystanie fotonów światła płynącego ze Słońca. Chociaż fotony nie mają masy, mają pęd i mogą go przenosić, gdy odbijają się od powierzchni odbijającej.
Oprócz światła Słońce zdmuchuje również stały strumień naładowanych cząstek - wiatr słoneczny. Zespół inżynierów z Finlandii, kierowany przez dr Pekka Janhunen, zaproponował zbudowanie żagla elektrycznego, który wykorzysta te cząstki do przeniesienia statku kosmicznego do Układu Słonecznego.
Aby zrozumieć, jak to działa, muszę wprowadzić kilka pomysłów do twojego mózgu.
Po pierwsze Słońce. Ta śmiertelna kula promieniowania na niebie. Jak zapewne wiesz, istnieje stały strumień naładowanych cząstek, głównie elektronów i protonów, oddalających się od Słońca we wszystkich kierunkach.
Astronomowie nie są do końca pewni, w jaki sposób, ale jakiś mechanizm w koronie słonecznej, jej górnej atmosferze, przyspiesza te cząstki z prędkością ucieczki. Ich prędkość waha się od 250 do 750 km / s.
Wiatr słoneczny odlatuje od Słońca i wypływa w kosmos. Widzimy jego wpływ na komety, nadając im charakterystyczne ogony, i tworzy bąbel wokół Układu Słonecznego zwanego heliosferą. To tutaj wiatr słoneczny ze Słońca spotyka wiatry słoneczne z innych gwiazd Drogi Mlecznej.
W rzeczywistości statek kosmiczny Voyager NASA niedawno przeleciał przez ten region, ostatecznie docierając do przestrzeni międzygwiezdnej.
Wiatr słoneczny powoduje bezpośrednie ciśnienie, tak jak wiatr rzeczywisty, ale jest niewiarygodnie słaby, stanowi ułamek ciśnienia światła, jakiego doświadcza żagiel słoneczny.
Ale wiatr słoneczny zawiera strumień dodatnio naładowanych protonów i elektronów, i to jest klucz.
Elektryczny żagiel polega na rozwijaniu niewiarygodnie cienkiego drutu o grubości zaledwie 25 mikronów, ale długości 20 kilometrów. Sonda jest wyposażona w panele słoneczne i działo elektronowe, którego uruchomienie zajmuje zaledwie kilkaset watów.
Wystrzeliwując elektrony w kosmos, statek kosmiczny utrzymuje wysoce dodatni stan naładowania. Ponieważ protony ze Słońca są również naładowane dodatnio, kiedy napotykają dodatnio naładowany pasek, „widzą” ogromną przeszkodę o średnicy 100 metrów i uderzają w nią.
Jony, przekazując swój pęd do uwięzi i statku kosmicznego, przyspieszają go od Słońca.
Przyspieszenie jest bardzo słabe, ale jest to ciągła presja Słońca i może sumować się przez długi czas. Na przykład, jeśli statek kosmiczny o masie 1000 kg miał 100 tych drutów rozciągających się we wszystkich kierunkach, mógłby otrzymywać przyspieszenie 1 mm na sekundę na sekundę.
W pierwszej sekundzie leci 1 mm, a następnie 2 mm w następnej sekundzie itp. W ciągu roku ten statek kosmiczny może lecieć z prędkością 30 km / s. Dla porównania najszybszy statek kosmiczny, Voyager 1 NASA, leci z prędkością około 17 km / s. O wiele szybciej, zdecydowanie przy prędkości ucieczki z Układu Słonecznego.
W rzeczywistości jedną z wad tej metody jest to, że nie zadziała ona w magnetosferze na Ziemi. Tak więc elektryczny statek kosmiczny napędzany żaglem musiałby być przenoszony przez tradycyjną rakietę z dala od Ziemi, aby mógł rozwinąć żagiel i skierować się w kosmos.
Jestem pewien, że zastanawiasz się, czy jest to podróż w jedną stronę, aby uciec od Słońca, ale tak naprawdę nie jest. Podobnie jak w przypadku żagli słonecznych można obracać żagiel elektryczny. W zależności od tego, po której stronie żagla uderza wiatr słoneczny, podnosi on lub obniża orbitę statku kosmicznego od Słońca.
Uderz w żagiel z jednej strony, a podniesiesz jego orbitę, aby przejść do zewnętrznego Układu Słonecznego. Ale możesz również zaatakować drugą stronę i obniżyć jej orbitę, pozwalając jej na podróż do wewnętrznego Układu Słonecznego. To niezwykle wszechstronny układ napędowy, a Słońce wykonuje całą pracę.
Choć brzmi to jak science fiction, w rzeczywistości trwają testy. Estoński prototypowy satelita został wystrzelony w 2013 roku, ale jego silnik nie rozwinął uwięzi. Fiński satelita Aalto-1 został wystrzelony w czerwcu 2017 r., A jednym z jego eksperymentów jest przetestowanie elektrycznego żagla.
Powinniśmy dowiedzieć się, czy technika będzie wykonalna jeszcze w tym roku.
Nie tylko Finowie rozważają ten system napędu. W 2015 r. NASA ogłosiła, że przyznała dotację na innowacyjne zaawansowane koncepcje fazy II dr Pekce Janhunenowi i jego zespołowi, aby zbadać, w jaki sposób tę technologię można wykorzystać do dotarcia do zewnętrznego Układu Słonecznego w krótszym czasie niż inne metody.
Elektrostatyczny szybki system tranzytowy Heliopauza, lub statek kosmiczny HERTS, rozciągałby 20 z tych elektrycznych uwięzi na zewnątrz od środka, tworząc ogromny okrągły elektryczny żagiel, aby złapać wiatr słoneczny. Powolne obracanie statku kosmicznego powoduje, że siły odśrodkowe rozciągają uwięzi do tego okrągłego kształtu.
Każdy ładunek z dodatnim ładunkiem działa jak ogromna bariera dla wiatru słonecznego, dzięki czemu statek kosmiczny osiąga powierzchnię 600 kilometrów kwadratowych po wystrzeleniu z Ziemi. Jednak w miarę oddalania się od Ziemi jego efektywna powierzchnia wzrasta do równowartości 1200 km kwadratowych, zanim dotrze do Jowisza.
Kiedy żagiel słoneczny zaczyna tracić moc, żagiel elektryczny po prostu przyspiesza. W rzeczywistości przyspieszyłby poza orbitę Urana.
Jeśli technologia się sprawdzi, misja HERTS może osiągnąć heliopauzę w ciągu zaledwie 10 lat. Dotarcie do tej odległości zajęło Voyagerowi 35 lat, 121 jednostek astronomicznych od Słońca.
Ale co ze sterowaniem? Zmieniając napięcie na każdym przewodzie podczas obracania się statku kosmicznego, możesz sprawić, że cały żagiel będzie oddziaływał inaczej z jednej lub drugiej strony na wiatr słoneczny. Możesz sterować całym statkiem kosmicznym jak żagle na łodzi.
We wrześniu 2017 r. Zespół naukowców z Fińskiego Instytutu Meteorologicznego ogłosił dość radykalny pomysł, w jaki sposób mogliby wykorzystać elektryczne żagle do kompleksowego zbadania pasa asteroid.
Zamiast jednego statku kosmicznego zaproponowali zbudowanie floty 50 oddzielnych satelitów o masie 5 kg. Każdy z nich rozwinąłby swój własny uwięź o długości 20 km i złapał wiatr słoneczny Słońca. W trakcie 3-letniej misji statek kosmiczny podróżował do pasa asteroid i odwiedzał kilka różnych skał kosmicznych. Pełna flota prawdopodobnie byłaby w stanie zbadać 300 oddzielnych obiektów.
Każdy statek kosmiczny byłby wyposażony w mały teleskop z otworem tylko 40 mm. To mniej więcej rozmiar lunety lub pół pary lornetek, ale wystarczyłoby, aby rozpoznać cechy na powierzchni asteroidy o średnicy zaledwie 100 metrów. Mieliby również spektrometr na podczerwień, aby móc określić, z jakich minerałów składa się każda asteroida.
To świetny sposób na znalezienie 10 bilionów asteroid z litej platyny.
Ponieważ statek kosmiczny byłby zbyt mały, aby komunikować się z powrotem na Ziemię, musieliby przechowywać dane na pokładzie, a następnie przekazywać wszystko, gdy miną naszą planetę 3 lata później.
Planetolodzy, z którymi rozmawiałem, uwielbiają pomysł jednoczesnego badania tak wielu różnych obiektów, a pomysł na elektryczny żagiel jest jedną z najbardziej wydajnych metod.
Według naukowców mogliby wykonać misję za około 70 milionów dolarów, co obniży koszt analizy każdej asteroidy do około 240 000 dolarów. To byłoby tanie w porównaniu z każdą inną zaproponowaną metodą badania planetoid.
Eksploracja kosmosu wykorzystuje tradycyjne rakiety chemiczne, ponieważ są one znane i niezawodne. Pewnie, że mają swoje wady, ale zabrali nas przez Układ Słoneczny na miliardy kilometrów od Ziemi.
Ale w pracach istnieją inne formy napędu, takie jak żagiel elektryczny. W nadchodzących dziesięcioleciach będziemy testować coraz więcej tych pomysłów. Wolny od paliwa układ napędowy, który może przenosić statek kosmiczny w zewnętrzne obszary Układu Słonecznego? Tak proszę.
Będę Cię informować, gdy będzie testowanych więcej żagli elektrycznych.
Podcast (audio): Pobierz (Czas trwania: 10:10 - 9,3 MB)
Subskrybuj: podcasty Apple | Android | RSS
Podcast (wideo): Pobierz (Czas trwania: 10:10 - 69,3 MB)
Subskrybuj: podcasty Apple | Android | RSS
