Ein Sonnensegel ist eine Möglichkeit, ein Raumschiff mit dem Druck von Licht und Hochgeschwindigkeitsgasen (auch Sonnenlichtdruck genannt) anzutreiben, die von einem Stern emittiert werden. Sehen wir uns das Gerät genauer an.
Die Verwendung eines Segels bedeutet kostengünstige Raumfahrt kombiniert mit verlängerter Lebensdauer. Aufgrund des Fehlens vieler beweglicher Teile sowie der Notwendigkeit, Treibmittel zu verwenden, ist ein solches Schiff potenziell für die Lieferung von Nutzlasten wiederverwendbar. Manchmal werden auch die Namen Licht oder Photonensegel verwendet.
Konzeptgeschichte
Johannes Kepler hat einmal bemerkt, dass der Schweif eines Kometen von der Sonne wegschaut, und vermutet, dass es der Stern ist, der diesen Effekt erzeugt. In einem Brief an Galileo im Jahr 1610 schrieb er: "Versehen Sie das Schiff mit einem Segel, das an die Sonnenbrise angepasst ist, und es wird diejenigen geben, die es wagen, diese Leere zu erkunden." Vielleicht bezog er sich mit diesen Worten genau auf das Phänomen des "Kometenschweifs", obwohl Veröffentlichungen zu diesem Thema einige Jahre später erschienen.
James K. Maxwell veröffentlichte in den 60er Jahren des 19. Jahrhunderts die Theorie des elektromagnetischen Feldes undStrahlung, in der er zeigte, dass Licht einen Impuls hat und somit Druck auf Objekte ausüben kann. Die Maxwell-Gleichungen liefern die theoretische Grundlage für die Fortbewegung unter leichtem Druck. Daher war bereits 1864 innerhalb und außerhalb der Physikergemeinschaft bekannt, dass das Sonnenlicht einen Impuls ausübt, der Druck auf Objekte ausübt.
Zuerst demonstrierte Pyotr Lebedev 1899 experimentell den Lichtdruck, und dann führten Ernest Nichols und Gordon Hull 1901 ein ähnliches unabhängiges Experiment mit dem Nichols-Radiometer durch.
Albert Einstein führte eine andere Formulierung ein und erkannte die Äquivalenz von Masse und Energie an. Jetzt können wir einfach p=E/c als Verhältnis zwischen Impuls, Energie und Lichtgeschwindigkeit schreiben.
Svante Arrhenius sagte 1908 die Möglichkeit des Drucks durch Sonnenstrahlung voraus, die lebende Sporen über interstellare Entfernungen transportiert, und als Ergebnis das Konzept der Panspermie. Er war der erste Wissenschaftler, der behauptete, Licht könne Objekte zwischen Sternen bewegen.
Friedrich Zander veröffentlichte ein Papier mit einer technischen Analyse des Sonnensegels. Er schrieb über "die Verwendung riesiger und sehr dünner Spiegelplatten" und "den Druck des Sonnenlichts, kosmische Geschwindigkeiten zu erreichen".
Die ersten formellen Projekte zur Entwicklung dieser Technologie begannen 1976 im Jet Propulsion Laboratory für eine geplante Rendezvous-Mission mit dem Halleyschen Kometen.
Wie ein Sonnensegel funktioniert
Licht beeinflusst alle Fahrzeuge in der Umlaufbahn des Planeten oder ininterplanetaren Raum. Beispielsweise wäre ein herkömmliches Raumschiff in Richtung Mars mehr als 1.000 km von der Sonne entfernt. Diese Effekte werden seit dem allerersten interplanetaren Raumschiff in den 1960er Jahren in die Flugbahnplanung der Raumfahrt einbezogen. Strahlung wirkt sich auch auf die Position des Fahrzeugs aus, und dieser Faktor muss bei der Konstruktion des Schiffs berücksichtigt werden. Die Kraft auf das Sonnensegel beträgt 1 Newton oder weniger.
Die Verwendung dieser Technologie ist in interstellaren Umlaufbahnen praktisch, wo jede Aktion in einem niedrigen Tempo ausgeführt wird. Der Kraftvektor des Lichtsegels ist entlang der Sonnenlinie ausgerichtet, was die Energie und den Drehimpuls der Umlaufbahn erhöht, wodurch sich das Schiff weiter von der Sonne entfernt. Um die Bahnneigung zu verändern, liegt der Kraftvektor außerhalb der Ebene des Geschwindigkeitsvektors.
Positionssteuerung
Das Attitude Control System (ACS) eines Raumfahrzeugs wird benötigt, um die gewünschte Position zu erreichen und zu ändern, während es durch das Universum reist. Die eingestellte Position des Apparats ändert sich sehr langsam, oft weniger als ein Grad pro Tag im interplanetaren Raum. Dieser Vorgang läuft in den Umlaufbahnen der Planeten viel schneller ab. Das Steuerungssystem für ein Fahrzeug mit Sonnensegel muss alle Orientierungsanforderungen erfüllen.
Die Kontrolle wird durch eine relative Verschiebung zwischen dem Druckmittelpunkt des Gefäßes und seinem Massenmittelpunkt erreicht. Dies kann durch Steuerfahnen, das Bewegen einzelner Segel, das Bewegen einer Steuermasse oder das Ändern des Reflektors erreicht werdenFähigkeiten.
Bei stehender Position muss ACS das Nettodrehmoment auf Null h alten. Das Kraftmoment des Segels ist entlang der Flugbahn nicht konstant. Ändert sich mit dem Abstand von der Sonne und dem Winkel, wodurch der Schaft des Segels korrigiert und einige Elemente der tragenden Struktur abgelenkt werden, was zu Änderungen in Kraft und Drehmoment führt.
Einschränkungen
Das Sonnensegel wird in einer Höhe von weniger als 800 km von der Erde nicht funktionieren können, da bis zu dieser Entfernung die Luftwiderstandskraft die Lichtdruckkraft übersteigt. Das heißt, der Einfluss des Sonnendrucks ist schwach spürbar und funktioniert einfach nicht. Die Drehgeschwindigkeit des Segelschiffs muss mit der Umlaufbahn kompatibel sein, was normalerweise nur bei Spinning-Disk-Konfigurationen ein Problem darstellt.
Die Betriebstemperatur hängt von der Sonneneinstrahlung, dem Winkel, dem Reflexionsvermögen und den vorderen und hinteren Strahlern ab. Das Segel kann nur dort verwendet werden, wo die Temperatur innerhalb seiner Materialgrenzen geh alten wird. Es kann im Allgemeinen ziemlich nahe an der Sonne verwendet werden, etwa 0,25 AU, wenn das Schiff sorgfältig für diese Bedingungen ausgelegt ist.
Konfiguration
Eric Drexler fertigte einen Prototyp eines Sonnensegels aus einem speziellen Material. Es ist ein Rahmen mit einer Platte aus dünnem Aluminiumfilm mit einer Dicke von 30 bis 100 Nanometern. Das Segel dreht sich und muss ständig unter Druck stehen. Diese Art von Struktur hat eine große Fläche pro Masseneinheit und daherBeschleunigung "fünfzig Mal schneller" als auf der Basis von entf altbaren Kunststofffolien. Es ist ein Rahsegel mit Masten und Doppelleinen auf der dunklen Seite des Segels. Vier sich kreuzende Masten und einer senkrecht zur Mitte, um die Drähte zu h alten.
Elektronisches Design
Pekka Janhunen erfand das elektrische Segel. Mechanisch hat es wenig mit traditionellem Lichtdesign gemein. Die Segel werden durch begradigte leitfähige Kabel (Drähte) ersetzt, die radial um das Schiff herum angeordnet sind. Sie erzeugen ein elektrisches Feld. Es erstreckt sich mehrere zehn Meter in das Plasma des umgebenden Sonnenwinds. Sonnenelektronen werden vom elektrischen Feld reflektiert (wie Photonen auf einem traditionellen Sonnensegel). Das Schiff kann gesteuert werden, indem die elektrische Ladung der Drähte reguliert wird. Das elektrische Segel hat 50-100 gerichtete Drähte, etwa 20 km lang.
Woraus besteht es?
Das für Drexlers Sonnensegel entwickelte Material ist ein dünner Aluminiumfilm mit einer Dicke von 0,1 Mikrometer. Wie erwartet hat es ausreichende Stärke und Zuverlässigkeit für den Einsatz im Weltraum gezeigt, aber nicht zum F alten, Starten und Entf alten.
Das häufigste Material in modernen Designs ist Aluminiumfolie "Kapton" mit einer Größe von 2 Mikrometern. Es widersteht hohen Temperaturen in der Nähe der Sonne und ist stark genug.
Es gab einige TheorieSpekulationen über die Anwendung molekularer Herstellungstechniken, um ein fortschrittliches, starkes, ultraleichtes Segel auf der Grundlage von Nanoröhren-Gewebegittern zu schaffen, bei denen die gewebten "Lücken" weniger als die Hälfte der Lichtwellenlänge betragen. Ein solches Material wurde nur im Labor hergestellt, und die Mittel zur Herstellung im industriellen Maßstab sind noch nicht verfügbar.
Das Lichtsegel eröffnet große Perspektiven für interstellare Reisen. Natürlich gibt es noch viele Fragen und Probleme, denen man sich stellen muss, bevor die Reise durch das Universum mit einem solchen Raumfahrzeugdesign zu einer alltäglichen Sache für die Menschheit wird.
