O velă solară este o modalitate de a propulsa o navă spațială folosind presiunea luminii și a gazelor de mare viteză (numite și presiunea luminii solare) emise de o stea. Să aruncăm o privire mai atentă asupra dispozitivului său.
Folosirea unei vele înseamnă călătorii în spațiu la preț redus, combinate cu o durată de viață extinsă. Din cauza lipsei multor părți mobile, precum și a necesității de a folosi propulsor, o astfel de navă este potențial reutilizabilă pentru livrarea sarcinilor utile. Uneori sunt folosite și numele light sau photon sail.
Povestea conceptuală
Johannes Kepler a observat odată că coada unei comete se îndepărtează de Soare și a sugerat că steaua este cea care produce acest efect. Într-o scrisoare către Galileo din 1610, el scria: „Oferiți navei o pânză adaptată brizei solare și vor fi cei care vor îndrăzni să exploreze acest vid”. Poate că, cu aceste cuvinte, s-a referit tocmai la fenomenul „cozii de cometă”, deși publicații pe această temă au apărut câțiva ani mai târziu.
James K. Maxwell în anii 60 ai secolului XIX a publicat teoria câmpului electromagnetic șiradiații, în care a arătat că lumina are impuls și astfel poate exercita presiune asupra obiectelor. Ecuațiile lui Maxwell oferă baza teoretică pentru o locomoție cu presiune ușoară. Prin urmare, încă din 1864, se știa în interiorul și în afara comunității fizicii că lumina soarelui poartă un impuls care exercită presiune asupra obiectelor.
În primul rând, Pyotr Lebedev a demonstrat experimental presiunea luminii în 1899, iar apoi Ernest Nichols și Gordon Hull au efectuat un experiment independent similar în 1901 folosind radiometrul Nichols.
Albert Einstein a introdus o formulare diferită, recunoscând echivalența masei și energiei. Acum putem scrie pur și simplu p=E/c ca raport între impuls, energie și viteza luminii.
Svante Arrhenius a prezis în 1908 posibilitatea ca presiunea radiației solare să poarte spori vii pe distanțe interstelare și, ca urmare, conceptul de panspermie. El a fost primul om de știință care a susținut că lumina poate muta obiecte între stele.
Friedrich Zander a publicat o lucrare care include o analiză tehnică a velei solare. El a scris despre „folosirea unor foi de oglinzi uriașe și foarte subțiri” și „presiunea luminii solare pentru a atinge viteze cosmice.”
Primele proiecte formale de dezvoltare a acestei tehnologii au început în 1976 la Jet Propulsion Laboratory pentru o misiune de întâlnire propusă cu cometa Halley.
Cum funcționează o velă solară
Lumina afectează toate vehiculele de pe orbita planetei sau în interiorspațiu interplanetar. De exemplu, o navă spațială convențională cu destinația Marte ar fi la mai mult de 1.000 km distanță de Soare. Aceste efecte au fost luate în considerare în planificarea traiectoriei călătoriei în spațiu încă de la prima navă spațială interplanetară din anii 1960. Radiațiile afectează și poziția vehiculului, iar acest factor trebuie luat în considerare în proiectarea navei. Forța asupra pânzei solare este de 1 newton sau mai puțin.
Utilizarea acestei tehnologii este convenabilă în orbitele interstelare, unde orice acțiune se desfășoară într-un ritm scăzut. Vectorul forță al pânzei ușoare este orientat de-a lungul liniei soarelui, ceea ce crește energia și momentul unghiular al orbitei, determinând nava să se îndepărteze mai mult de soare. Pentru a schimba înclinarea orbitei, vectorul forță este în afara planului vectorului viteză.
Controlul poziției
Sistemul de control al atitudinii (ACS) al unei nave spațiale este necesar pentru a ajunge și a schimba poziția dorită în timpul călătoriei prin Univers. Poziția setată a aparatului se schimbă foarte lent, adesea mai puțin de un grad pe zi în spațiul interplanetar. Acest proces are loc mult mai rapid pe orbitele planetelor. Sistemul de control al unui vehicul care utilizează o velă solară trebuie să îndeplinească toate cerințele de orientare.
Controlul se realizează printr-o deplasare relativă între centrul de presiune al vasului și centrul său de masă. Acest lucru poate fi realizat cu palete de control, mișcarea pânzelor individuale, deplasarea unei mase de control sau schimbarea reflectorizantei.abilități.
Poziția în picioare necesită ca ACS să mențină cuplul net la zero. Momentul de forță al pânzei nu este constant de-a lungul traiectoriei. Se modifică cu distanța față de soare și unghi, ceea ce corectează axul velei și deviază unele elemente ale structurii de susținere, rezultând modificări ale forței și ale cuplului.
Restricții
Vela solară nu va putea funcționa la o altitudine mai mică de 800 km de Pământ, deoarece până la această distanță forța de rezistență a aerului depășește forța de presiune ușoară. Adică, influența presiunii solare este puțin vizibilă și pur și simplu nu va funcționa. Viteza de viraj a navei cu vele trebuie să fie compatibilă cu orbita, ceea ce este, de obicei, o problemă doar pentru configurațiile discurilor rotative.
Temperatura de funcționare depinde de distanța solară, unghi, reflectivitate și radiatoarele din față și din spate. Vela poate fi folosită numai acolo unde temperatura este menținută în limitele sale materiale. În general, poate fi folosit destul de aproape de soare, în jur de 0,25 UA, dacă nava este proiectată cu grijă pentru aceste condiții.
Configurare
Eric Drexler a realizat un prototip de velă solară dintr-un material special. Este un cadru cu un panou din folie subțire de aluminiu cu o grosime de 30 până la 100 nanometri. Vela se rotește și trebuie să fie constant sub presiune. Acest tip de structură are o suprafață mare pe unitatea de masă și, prin urmareaccelerație „de cincizeci de ori mai rapidă” decât cele bazate pe folii de plastic dislocabile. Este o velă pătrată cu catarge și linii duble pe partea întunecată a velei. Patru catarge care se intersectează și unul perpendicular pe centru pentru a susține firele.
Design electronic
Pekka Janhunen a inventat vela electrică. Din punct de vedere mecanic, are puține în comun cu designul tradițional al luminii. Pânzele sunt înlocuite cu cabluri conductoare îndreptate (sârme) dispuse radial în jurul navei. Ele creează un câmp electric. Se extinde pe câteva zeci de metri în plasma vântului solar din jur. Electronii solari sunt reflectați de câmpul electric (ca fotonii de pe o velă solară tradițională). Nava poate fi condusă prin reglarea sarcinii electrice a firelor. Vela electrică are 50-100 de fire îndreptate, de aproximativ 20 km lungime.
Din ce este făcut?
Materialul dezvoltat pentru vela solară Drexler este o peliculă subțire de aluminiu de 0,1 micrometri grosime. După cum era de așteptat, a demonstrat suficientă rezistență și fiabilitate pentru utilizare în spațiu, dar nu pentru pliere, lansare și desfășurare.
Cel mai obișnuit material în modelele moderne este folie de aluminiu „Kapton” de 2 microni. Rezistă la temperaturi ridicate lângă Soare și este suficient de puternic.
Au fost unele teoreticespeculații cu privire la aplicarea tehnicilor de fabricație moleculară pentru a crea o velă avansată, puternică și ultra-ușoară, bazată pe grile de țesătură cu nanotuburi în care „golurile” țesute sunt mai puțin de jumătate din lungimea de undă a luminii. Un astfel de material a fost creat doar în laborator, iar mijloacele de fabricație la scară industrială nu sunt încă disponibile.
Vela ușoară deschide perspective excelente pentru călătoriile interstelare. Desigur, există încă multe întrebări și probleme cu care trebuie să se confrunte înainte de a călători prin univers cu un astfel de design de navă spațială să devină un lucru obișnuit pentru omenire.
