Solno jedro način je pokretanja svemirske letjelice pomoću tlaka svjetlosti i plinova velike brzine (koji se također naziva solarni svjetlosni tlak) koje emitira zvijezda. Pogledajmo pobliže njegov uređaj.
Korištenje jedra znači jeftino putovanje u svemir u kombinaciji s produljenim životnim vijekom. Zbog nedostatka mnogih pokretnih dijelova, kao i potrebe za korištenjem pogonskog goriva, takav se brod potencijalno može ponovno koristiti za isporuku tereta. Ponekad se koriste i nazivi svjetlosno ili fotonsko jedro.
koncept priča
Johannes Kepler jednom je primijetio da rep kometa skreće pogled sa Sunca i sugerirao da je zvijezda ta koja proizvodi ovaj efekt. U pismu Galileju 1610. godine napisao je: "Omogućite brodu jedro prilagođeno sunčevom povjetarcu i bit će onih koji će se usuditi istražiti ovu prazninu." Možda se ovim riječima osvrnuo upravo na fenomen "repa kometa", iako su se publikacije na ovu temu pojavile nekoliko godina kasnije.
James K. Maxwell je 60-ih godina XIX stoljeća objavio teoriju elektromagnetskog polja izračenja, u kojem je pokazao da svjetlost ima zamah i tako može vršiti pritisak na objekte. Maxwellove jednadžbe pružaju teorijsku osnovu za kretanje pod svjetlom pritiskom. Stoga je već 1864. bilo poznato unutar i izvan zajednice fizike da sunčeva svjetlost nosi impuls koji vrši pritisak na objekte.
Prvo je Pyotr Lebedev eksperimentalno demonstrirao pritisak svjetlosti 1899., a zatim su Ernest Nichols i Gordon Hull izveli sličan neovisni eksperiment 1901. koristeći Nicholsov radiometar.
Albert Einstein uveo je drugačiju formulaciju, prepoznajući jednakost mase i energije. Sada možemo jednostavno napisati p=E/c kao omjer između zamaha, energije i brzine svjetlosti.
Svante Arrhenius je 1908. godine predvidio mogućnost pritiska sunčevog zračenja koje prenosi žive spore na međuzvjezdane udaljenosti, i kao rezultat toga, koncept panspermije. Bio je prvi znanstvenik koji je tvrdio da svjetlost može pomicati objekte između zvijezda.
Friedrich Zander objavio je rad koji uključuje tehničku analizu solarnog jedra. Pisao je o "korištenju ogromnih i vrlo tankih listova zrcala" i "pritisku sunčeve svjetlosti za postizanje kozmičkih brzina."
Prvi formalni projekti za razvoj ove tehnologije započeli su 1976. u Laboratoriju za mlazni pogon za predloženu misiju susreta s Halleyjevim kometom.
Kako funkcionira solarno jedro
Svjetlo utječe na sva vozila u orbiti planete ili u njojmeđuplanetarnog prostora. Na primjer, konvencionalna svemirska letjelica za Mars bila bi udaljena više od 1000 km od Sunca. Ti su učinci uključeni u planiranje putanje svemirskog putovanja od prve međuplanetarne letjelice 1960-ih. Zračenje također utječe na položaj vozila, te se taj čimbenik mora uzeti u obzir pri projektiranju broda. Sila na solarno jedro je 1 njuton ili manje.
Upotreba ove tehnologije je zgodna u međuzvjezdanim orbitama, gdje se bilo koja radnja izvodi niskim tempom. Vektor sile svjetlosnog jedra orijentiran je duž sunčeve linije, što povećava energiju orbite i kutni moment, uzrokujući da se brod udaljava dalje od sunca. Za promjenu nagiba orbite, vektor sile je izvan ravnine vektora brzine.
Kontrola položaja
Sustav kontrole stava (ACS) svemirske letjelice potreban je za postizanje i promjenu željene pozicije tijekom putovanja kroz svemir. Postavljeni položaj aparata mijenja se vrlo sporo, često manje od jednog stupnja dnevno u međuplanetarnom prostoru. Ovaj proces se događa mnogo brže u orbitama planeta. Upravljački sustav za vozilo koje koristi solarno jedro mora zadovoljiti sve zahtjeve za orijentaciju.
Kontrola se postiže relativnim pomakom između centra tlaka posude i centra mase. To se može postići kontrolnim lopaticama, pomicanjem pojedinačnih jedara, pomicanjem kontrolne mase ili promjenom refleksijesposobnosti.
Stajući položaj zahtijeva da ACS održava neto moment na nuli. Moment sile jedra nije stalan duž putanje. Promjene s udaljenosti od sunca i kutom, što ispravlja osovinu jedra i odbija neke elemente potporne konstrukcije, što rezultira promjenama u sili i zakretnom momentu.
Ograničenja
Solno jedro neće moći raditi na visini nižoj od 800 km od Zemlje, budući da do te udaljenosti sila otpora zraka premašuje silu laganog pritiska. Odnosno, utjecaj sunčevog tlaka je slabo primjetan i jednostavno neće raditi. Brzina okretanja jedrilice mora biti kompatibilna s orbitom, što je obično problem samo za konfiguracije diskova koji se vrte.
Radna temperatura ovisi o solarnoj udaljenosti, kutu, refleksivnosti i prednjim i stražnjim radijatorima. Jedro se može koristiti samo ako se temperatura održava unutar granica materijala. Općenito se može koristiti prilično blizu sunca, oko 0,25 AU, ako je brod pažljivo dizajniran za te uvjete.
Konfiguracija
Eric Drexler napravio je prototip solarnog jedra od posebnog materijala. To je okvir s pločom od tanke aluminijske folije debljine od 30 do 100 nanometara. Jedro se okreće i mora biti stalno pod pritiskom. Ova vrsta strukture ima veliku površinu po jedinici mase i stogaubrzanje "pedeset puta brže" od onih temeljenih na razmjenjivim plastičnim folijama. To je četvrtasto jedro s jarbolima i dvostrukim linijama na tamnoj strani jedra. Četiri jarbola koji se križaju i jedan okomit na središte za držanje žica.
Elektronski dizajn
Pekka Janhunen izumio je električno jedro. Mehanički, ima malo zajedničkog s tradicionalnim dizajnom svjetla. Jedra zamjenjuju ispravljeni vodljivi kabeli (žice) raspoređeni radijalno oko broda. Oni stvaraju električno polje. Proteže se nekoliko desetaka metara u plazmu okolnog sunčevog vjetra. Solarni elektroni reflektiraju se električnim poljem (kao fotoni na tradicionalnom solarnom jedru). Brodom se može upravljati reguliranjem električnog naboja žica. Električno jedro ima 50-100 ispravljenih žica, dugih oko 20 km.
Od čega je napravljen?
Materijal razvijen za Drexlerovo solarno jedro je tanki aluminijski film debljine 0,1 mikrometar. Kao što se očekivalo, pokazao je dovoljnu snagu i pouzdanost za korištenje u svemiru, ali ne i za sklapanje, lansiranje i raspoređivanje.
Najčešći materijal u modernim dizajnima je aluminijska folija "Kapton" veličine 2 mikrona. Otporan je na visoke temperature u blizini Sunca i dovoljno je jak.
Bilo je nekih teorijskihnagađanja o primjeni tehnika molekularne proizvodnje kako bi se stvorilo napredno, snažno, ultra-lako jedro temeljeno na mrežama od nanocijevi u kojima su tkane "praznine" manje od polovice valne duljine svjetlosti. Takav materijal nastao je samo u laboratoriju, a sredstva za proizvodnju u industrijskim razmjerima još nisu dostupna.
Lagano jedro otvara velike izglede za međuzvjezdana putovanja. Naravno, još uvijek postoji mnogo pitanja i problema s kojima će se morati suočiti prije nego što putovanje svemirom s takvim dizajnom svemirske letjelice postane uobičajena stvar za čovječanstvo.
