Et solsejl er en måde at drive et rumfartøj på ved hjælp af trykket fra lette og højhastighedsgasser (også kaldet sollystryk), som udsendes af en stjerne. Lad os se nærmere på dens enhed.
Brug af et sejl betyder billige rumrejser kombineret med forlænget levetid. På grund af manglen på mange bevægelige dele, samt behovet for at bruge drivmiddel, er et sådant skib potentielt genanvendeligt til levering af nyttelast. Navnene lys eller foton sejl bruges også nogle gange.
Koncepthistorie
Johannes Kepler bemærkede engang, at halen på en komet kigger væk fra Solen, og foreslog, at det var stjernen, der frembringer denne effekt. I et brev til Galileo i 1610 skrev han: "Forsyn skibet med et sejl tilpasset solbrisen, og der vil være dem, der tør udforske dette tomrum." Måske henviste han med disse ord netop til fænomenet "komethalen", selvom publikationer om dette emne udkom flere år senere.
James K. Maxwell offentliggjorde i 60'erne af det XIX århundrede teorien om det elektromagnetiske felt ogstråling, hvor han viste, at lys har momentum og dermed kan udøve pres på objekter. Maxwells ligninger giver det teoretiske grundlag for let trykbevægelse. Derfor var det allerede i 1864 kendt i og uden for fysiksamfundet, at sollys bærer en impuls, der udøver pres på objekter.
Først demonstrerede Pyotr Lebedev eksperimentelt lysets tryk i 1899, og derefter udførte Ernest Nichols og Gordon Hull et lignende uafhængigt eksperiment i 1901 ved hjælp af Nichols-radiometeret.
Albert Einstein introducerede en anden formulering, der anerkendte ækvivalensen mellem masse og energi. Nu kan vi simpelthen skrive p=E/c som forholdet mellem momentum, energi og lysets hastighed.
Svante Arrhenius forudsagde i 1908 muligheden for tryk fra solstråling, der bærer levende sporer over interstellare afstande, og som et resultat begrebet panspermia. Han var den første videnskabsmand, der hævdede, at lys kunne flytte objekter mellem stjerner.
Friedrich Zander udgav et papir med en teknisk analyse af solsejlet. Han skrev om "brugen af enorme og meget tynde spejle" og "sollysets pres for at opnå kosmiske hastigheder."
De første formelle projekter til at udvikle denne teknologi begyndte i 1976 på Jet Propulsion Laboratory for en foreslået møde-mission med Halley's Comet.
Sådan fungerer et solsejl
Lys påvirker alle køretøjer i eller i kredsløbet om planeteninterplanetarisk rum. For eksempel ville et konventionelt rumfartøj på vej til Mars være mere end 1.000 km væk fra Solen. Disse effekter er blevet indregnet i planlægningen af rumrejser siden det allerførste interplanetariske rumfartøj i 1960'erne. Stråling påvirker også køretøjets position, og denne faktor skal tages i betragtning i skibets design. Kraften på solsejlet er 1 newton eller mindre.
Brugen af denne teknologi er praktisk i interstellare baner, hvor enhver handling udføres i et lavt tempo. Det lette sejls kraftvektor er orienteret langs solens linje, hvilket øger banens energi og vinkelmomentum, hvilket får skibet til at bevæge sig længere væk fra solen. For at ændre hældningen af banen er kraftvektoren ude af hastighedsvektorens plan.
Positionskontrol
Et rumfartøjs Attitude Control System (ACS) er nødvendigt for at nå og ændre den ønskede position, mens du rejser gennem universet. Apparatets indstillede position ændrer sig meget langsomt, ofte mindre end én grad om dagen i interplanetarisk rum. Denne proces sker meget hurtigere i planeternes kredsløb. Styresystemet til et køretøj, der bruger et solsejl, skal opfylde alle orienteringskrav.
Kontrol opnås ved en relativ forskydning mellem fartøjets trykcentrum og dets massecenter. Dette kan opnås med styrevinger, flytning af individuelle sejl, flytning af en kontrolmasse eller ændring af reflekterendeevner.
Stående position kræver ACS for at holde nettodrejningsmomentet på nul. Sejlets kraftmoment er ikke konstant langs banen. Ændringer med afstand fra solen og vinkel, hvilket korrigerer sejlets aksel og afbøjer nogle elementer i den understøttende struktur, hvilket resulterer i ændringer i kraft og drejningsmoment.
Restrictions
Solsejlet vil ikke være i stand til at arbejde i en højde lavere end 800 km fra Jorden, da luftmodstandskraften indtil denne afstand overstiger den lette trykkraft. Det vil sige, at soltrykkets indflydelse er svagt mærkbar, og det vil simpelthen ikke virke. Sejlfartøjets drejningshastighed skal være kompatibel med kredsløbet, hvilket norm alt kun er et problem for roterende skivekonfigurationer.
Driftstemperatur afhænger af solafstand, vinkel, reflektionsevne og for- og bagradiatorer. Sejlet kan kun bruges, hvor temperaturen holdes inden for dets materialegrænser. Det kan generelt bruges ret tæt på solen, omkring 0,25 AU, hvis skibet er omhyggeligt designet til disse forhold.
Konfiguration
Eric Drexler lavede en prototype solsejl af et specielt materiale. Det er en ramme med et panel af tynd aluminiumsfilm med en tykkelse på 30 til 100 nanometer. Sejlet roterer og skal konstant være under pres. Denne type struktur har et højt areal pr. masseenhed og derforacceleration "halvtreds gange hurtigere" end dem, der er baseret på deployerbare plastfilm. Det er et firkantet sejl med master og tvillingeliner på den mørke side af sejlet. Fire krydsende master og en vinkelret på midten for at holde ledningerne.
Elektronisk design
Pekka Janhunen opfandt det elektriske sejl. Mekanisk har den ikke meget til fælles med traditionelt lysdesign. Sejlene erstattes af udrettede ledende kabler (tråde) anbragt radi alt rundt om skibet. De skaber et elektrisk felt. Det strækker sig adskillige snese meter ind i plasmaet fra den omgivende solvind. Solelektroner reflekteres af det elektriske felt (som fotoner på et traditionelt solsejl). Skibet kan styres ved at regulere ledningernes elektriske ladning. Det elektriske sejl har 50-100 rettede ledninger, ca. 20 km lange.
Hvad er det lavet af?
Materialet udviklet til Drexlers solsejl er en tynd aluminiumsfilm, der er 0,1 mikrometer tyk. Som forventet har den demonstreret tilstrækkelig styrke og pålidelighed til brug i rummet, men ikke til foldning, opsendelse og indsættelse.
Det mest almindelige materiale i moderne design er aluminiumsfilm "Kapton" på 2 mikron. Den modstår høje temperaturer nær Solen og er stærk nok.
Der var nogle teoretiskespekulationer om at anvende molekylære fremstillingsteknikker til at skabe et avanceret, stærkt, ultralet sejl baseret på nanorørs stofgitre, hvor de vævede "gab" er mindre end halvdelen af lysets bølgelængde. Et sådant materiale blev kun skabt i laboratoriet, og midlerne til fremstilling i industriel skala er endnu ikke tilgængelige.
Det lette sejl åbner store perspektiver for interstellare rejser. Selvfølgelig er der stadig mange spørgsmål og problemer, der skal stilles over for, før det bliver en almindelig ting for menneskeheden at rejse gennem universet med sådan et rumfartøjsdesign.
