Vergessen Sie interstellare Flüge. Mit winzigen leichten Segeln könnte man heute das Sonnensystem erkunden
Solarsegel haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erhalten. Das liegt zum Teil an einer Reihe hochkarätiger Missionen, die das Konzept erfolgreich bewiesen haben. Es liegt auch zum Teil an der Bekanntheit Durchbruch Starshot Projekt, das eine mit Sonnensegeln betriebene Mission entwickelt, um das Ziel zu erreichen Alpha Centauri . Doch dieser vielseitige dritte Antrieb ist nicht nur für weit entfernte Abenteuer nützlich – er hat auch Vorteile in der näheren Umgebung. Ein neues Papier von Ingenieuren bei UCLA definiert, was diese Vorteile sind und wie wir sie am besten nutzen können.
Die buchstäbliche treibende Kraft hinter einigen Solarsegelprojekten sind Laser. Diese konzentrierten Lichtstrahlen sind perfekt, um eine Schubkraft gegen ein Sonnensegel bereitzustellen. Sie sind jedoch auch als Waffen nützlich, wenn sie zu stark vergrößert werden und alles, was sich in ihrem Weg befindet, verdampfen. Daher liegt eine der wichtigsten Konstruktionsbeschränkungen für Solarsegelsysteme in Bezug auf Materialien, die einem Hochleistungslaserstoß widerstehen können und dennoch leicht genug sind, um das Boot, an dem es befestigt ist, nicht mit zusätzlichem Gewicht zu belasten.
UT-Video, in dem diskutiert wird, was ein Sonnensegel ist.
Für die Missionen, die sich der Doktorand Ho-Ting Tung und Dr. Artur Davoyan vom Maschinenbau-Department der UCLA vorstellen, ist das Gewicht winzig. Sie erwarten, dass jedes Segelraumfahrzeug weniger als 100 Gramm wiegt. Diese 100 Gramm würden eine Segelanordnung beinhalten, die bis zu 10 cm im Quadrat misst.
Mit solch kleinen Massen und großer Fläche kommt der große Vorteil des Solarsegelns – die mit dieser Antriebstechnologie erreichbare Höchstgeschwindigkeit ist sprunghaft schneller als bei den beiden traditionelleren Technologien – chemischer und elektrischer Antrieb. Die Studie konzentrierte sich auf zwei Arten von Orbitalmanövern, die normalerweise von diesen anderen Antriebssystemen durchgeführt werden – eine, bei der sich das Segel in der Erdumlaufbahn bewegt, und eine, bei der es zwischen Planeten reist.
Schema, das zeigt, wie man mit Laserbeschleunigung das äußere Sonnensystem viel schneller als mit herkömmlichen Methoden erreicht.
Kredit – Tung & Davoyan
Das erste System untersucht, wie lange es dauern würde, die verschiedenen Phasen der Flucht von der Erde zu überwinden. Gemessen an „?v“ (dh Beschleunigung) würde die stetige Zunahme der Beschleunigung, die ein Laser auf einem Sonnensegel liefert, es einem kleinen Raumfahrzeug ermöglichen, in weniger Minuten von einer niedrigen Erdumlaufbahn in eine geostationäre Umlaufbahn zu gelangen und dann wieder zu entkommen Geschwindigkeit kurz danach.
Es hat auch den Vorteil, dass es schneller beschleunigen kann als die schnellste Beschleunigung, die jemals von einem Raumfahrzeug durchgeführt wurde – ein Rekord, der derzeit von gehalten wird Dämmerung bei seinem Versuch, das äußere Sonnensystem zu erreichen. Dieses neue Sonnensegel würde in etwa einer halben Stunde Laserzeit Beschleunigungen erreichen, für die Dawn mit seinem elektrischen Triebwerk fünfeinhalb Jahre brauchte.
UT-Video, in dem einige der Möglichkeiten des Solarsegelns diskutiert werden.
Eine solche lineare Beschleunigung würde auch die interplanetaren Reisezeiten dramatisch verkürzen – ein solches Sonnensegel könnte den Mars in 20 Tagen (im Vergleich zu 200 normalerweise), Jupiter in 120 Tagen (5 Jahre für Juno) und Pluto in etwa 3 Jahren (10 .) erreichen Jahre letztes Mal besuchten wir mit New Horizons). Verkürzte Reisezeiten bedeuten mehr Möglichkeiten für die Wissenschaft, aber nur, wenn die Instrumente an Bord in das relativ kleine, leichte Paket passen, das das Segel tragen kann.
Die Instrumente selbst sind jedoch nicht der einzige wichtige Teil dieses Pakets. Das wohl wichtigste ist das Design des Segels selbst. Die wichtigsten Designbeschränkungen nehmen einen Großteil der Analyse des Papiers in Anspruch. Es muss leicht, stark/flexibel, für den Laser reflektierend sein (damit der Laser ihn drückt anstatt absorbiert zu werden) und hohen Temperaturen standhalten können.
Abbildung aus dem Papier, die Unterschiede in den Beschleunigungszeiten und möglichen Flugbahnen zeigt, die ein Sonnensegel nehmen könnte.
Kredit – Tung & Davoyan
Die letzten beiden Einschränkungen werden zusammengeführt und standen im Mittelpunkt des Artikels, da ein hohes Reflexionsvermögen bedeutet, dass weniger hohen Temperaturen standgehalten werden muss. Nach der Auswahl eines Lasers, der in der Atmosphäre gut funktioniert, entwickelte das Team zwei Arten von Materialien, die für ein Segel geeignet sein könnten – Siliziumnitrid und Bornitrid . Bei beiden Materialien macht das extrem hohe Reflexionsvermögen in Kombination mit einem thermischen Emissionsvermögen (wie gut es Wärme ableitet) sie zu idealen Kandidaten, um die letzten beiden Einschränkungen zu erfüllen.
Um das Beste aus der Materialleistung herauszuholen, müssen sie jedoch so geformt werden, dass sie ihre Materialeigenschaften nutzen. In dem Papier wurden zwei Arten von Strukturen analysiert – ein „Bragg-Stack“ und ein Reflektor mit geführter Modenresonanz (GMR). EIN Bragg-Stack ist ein Reflektortyp mit mehreren Materialstapeln, die einen wellenlängenspezifischen hochwertigen Reflektor bilden. EIN GMR-Reflektor , andererseits verwendet eine Art Gitter oder Prisma, um zu steuern, bei welchen Wellenlängen die Struktur reflektierend wird. In beiden Fällen ist die Struktur so ausgelegt, dass Licht, das nicht die spezifische Wellenlänge des Lasers hat, nicht reflektiert wird, was zu einem minimalen Überschuss führt Erwärmung des Panel-Arrays.
Illustration, wie ein Lichtsegel funktionieren würde, mit der ausgewählten Materialstruktur auf der Unterseite.
Kredit – Tung & Davoyan
Letztlich ist das Papier selbst nur ein Versuch, einen Entwurf für ein zukünftiges Missionskonzept vorzuschlagen. Es ist nichts Konkretes geplant, um einen seiner Vorschläge zu übernehmen. Aber es ist ein Schritt in Richtung auf diese potenziell bahnbrechende Antriebstechnologie, die erst jetzt in Gang kommt. Wenn wir es richtig einsetzen, könnte Solarsegeln einen grundlegenden Einfluss sowohl auf die Wissenschaft als auch auf die Wirtschaftlichkeit der Weltraumforschung haben.
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