Teknologi

NASAs nye rumfartøj flyver med lys

I 1418 forlod europæiske sejlbåde dereshavne for at udforske Atlanterhavet, og æraen med store geografiske opdagelser begyndte. I 2018 vil en lille rumsonde indsætte sejlet og begynde rejsen til en fjern asteroide. Dette vil være det første NASA-rumfartøj, der kun bevæger sig ud over Jordens bane gennem sollys. En sådan teknologi kan åbne vejen for billig efterforskning af solsystemet og i sidste ende interstellar rum.

Near-Earth Asteroid Scout-sonde værd 16millioner dollars er blandt de 13 værdifulde varer annonceret af NASA forleden. Alle af dem vil gå sammen med lanceringen af ​​Space Launch System, en stor raket designet til at erstatte rumfærger, der engang fører Orion-rumfartøjet til Mars.

Det vil tage 2,5 år for NEA Scout at nådestination, en lille asteroide 1991 VG. Men det vil ikke være et afslappet krydstogt. Kontinuerlig trækkraft leveres af sollys, der rammer et solsejl, og det accelererer sonden til en hastighed på 103.000 km / t i forhold til solen.

Efter et bestemt tidsrum kan et rumfartøj udstyret med et solfang sejle mere end et rumfartøj af lignende størrelser med en konventionel kemisk raket.

”Sejlet vinder løbet med hensyn til det ultimativehastighed som en skildpadde går rundt i en hare, ”siger Les Johnson, teknisk rådgiver for avancerede NASA-koncepter i Space Center. Marshall. En kemisk raket giver enormt indgangskraft, men forbrænder i sidste ende sit brændstof. ”Da sejlet ikke bruger noget brændstof, kan vi bevare trækkraft, mens solen skinner.”

Indholdet

  • 1 Letvægtsmateriale
  • 2 Let bevægelse
  • 3 Positiv energi
  • 4 Næste stop: Alpha Centauri

Letvægtsmateriale

Solsejl lavet af ultra-tyndt materialemed høj reflektivitet. Når solens foton rammer spejleoverfladen, springer den ud af sejlet og overfører dens momentum til rumfartøjet - ligesom en billardkugle transmitterer sin fart, når den kolliderer med en anden bold på bordet.

Ideen om et solsejl har eksisteret siden 1924,da legenden om den sovjetiske raketvidenskab Konstantin Tsiolkovsky og Fridrik Zander undfangede et rumfartøj "ved hjælp af enorme spejle fra meget tynde lag" og "sollysets pres for at opnå rumhastigheder." Fyrre år senere populariserede science fiction-forfatter Arthur Clark denne idé i sin roman, The Wind of the Sun.

NASA begyndte at investere i solteknologisejler i slutningen af ​​90'erne. I 2010 lancerede agenturet med succes en lille sejlsatellit ind i Jorden kredsløb, hvor den forblev 240 dage, indtil den kom ind i atmosfæren og udbrændte.

Samme år, det japanske rumfartsagenturdemonstrerede muligheden for at bruge solsejl til interplanetarisk rejse. Testapparatet blev fastgjort til brættet til den venusiske sonde "Akatsuki". En solenergidrevet enhed kaldet IKAROS blev fundet i rummet af en sonde, da den lå 7 millioner kilometer fra Jorden. Seks måneder senere fløj IKAROS med succes forbi Venus.

Solsejl blev muligt takket være revolutionen inden for elektronikområdet.

Sagen er, at solsejlprojekteter en slags gidsler til Newtons anden bevægelseslov: kraft er lig med massetidens acceleration. Sollysets styrke er konstant, så for at opnå høj acceleration har du brug for lav masse.

”For 25-30 år siden var elektronik det ikkeså let, siger Johnson. - Det var umuligt at forestille sig konstruktionen af ​​et tilstrækkeligt lille rumfartøj, der ikke havde brug for et stort sejl. Med fremkomsten af ​​smartphones og miniaturiseringen af ​​komponenter kan vi nu lave et rigtig let og lille rumfartøj, hvilket betyder, at det bliver brug for et sejl i en rimelig størrelse. "

Johnson nævner CubeSat som et eksempel - miniatyrterningssatellitter bygget fra "klar til brug" teknologier. NEA Scout vil være en CubeSat på størrelse med en skoboks, som et 86 kvadratmeter stort solsejl skubber. m.

På trods af sin beskedne størrelse er sonden pakketnok værktøjer til at udføre omfattende forskning på VG-asteroiden fra 1991, fotografere og måle den kemiske sammensætning, størrelse og bevægelse af objektet.

NASA ser i sådan intelligens et vigtigt første skridt hen imodfremtidige bemande missioner til asteroider. Hvis en astronaut er ved at udforske overfladen af ​​en kosmisk klippe, ønsker NASA at være sikker på, at den snurrer langsomt og forudsigelig og ikke spinder rundt i forskellige retninger. På samme måde ønsker rumfartsagenturet på forhånd at vide, om asteroiden er solid eller repræsenteret af en bunke sten, der holdes af tyngdekraften.

Let bevægelse

Under sin mission vil NEA Scout implementere beggemindst en langsom tilgang tæt på afstand - dens hastighed falder til 10 meter i sekundet, og enheden passerer en halv kilometer fra overfladen på asteroiden. Dette indikerer en anden fordel ved solsejl: de er meget manøvrerbare, nogle gange endda overlegne traditionelle bevægelsesmetoder.

Nøglen til at sejle kontrol - det være sig Atlanterhavethav eller rum - ligger i oprettelsen af ​​asymmetrisk drivkraft. Der er mange forskellige måder at skabe det på ved hjælp af himmelækvivalenterne til master og rigning. IKAROS har en elektro-optisk belægning, der mørkere, når der tilføres spænding, og som absorberer lys i stedet for at reflektere det. Det er således muligt at "indstille" en del af sejlet, så det får halvdelen af ​​solen end det andet, og indsætte apparatet.

NEA Scout vil tage en anden tilgang ved hjælp af en glidemekanisme, der bevæger CubeSat fremad og bagud i forhold til de rammer, som sejlet er placeret på.

”Hvis du forestiller dig en dåse cola, som vilmed vores maskine, og læg et ark papir fladt ovenpå, det vil være et sejl, ”siger Johnson. - Forestil dig så, at du bare fysisk bevæger arket til venstre og højre. Sådan vil det være. ” Sejlet på sejlet giver dig også mulighed for at justere hastigheden.

Fleksibiliteten af ​​et rumfartøj med et solsejl - kombineret med konstant drivkraft takket være en udømmelig forsyning med brændstof - åbner vejen for flere interessante muligheder.

Sig, at du vil sende en sonde over et flyekliptisk solsystem til at udforske solens nordpol. For dramatisk at ændre retning og hastighed - uden at bruge ædle brændstof - er ingeniører normalt afhængige af tyngdekraften. ”Nu er vi nødt til at sende rumfartøjet til Jupiter for at få en tyngdekraftmanøvre for at få det ud af det ekliptiske plan og få en større kredsløbsvinkel omkring solen,” siger Johnson. ”Med et sejl vil det være ganske enkelt at styre det op.”

En anden potentiel anvendelse er allerede tættere påderhjemme, dette er en "siddende på stangen" satellit. Hvis du nu ønsker at fastgøre en satellit i en bestemt position i forhold til et sted på Jorden - og dette ville være meget nyttigt for kommunikationsteknologier - kan du kun sende den til en geostationær bane, strengt over ækvator, til en højde på 35.786 kilometer over Jorden.

Men med et sejl "kan du være over Nordeneller Jordens sydpol og drej rundt om solen i samme hastighed som jorden roterer rundt om solen, ”siger Johnson. - For at overvinde Jordens tyngdekraft er det nok at lede sejlet, så det skubber dig op hele tiden. Således svæver du bevægelsesløst over Nord- eller Sydpolen. ”

Positiv energi

Fotoner - som vi ser som sollys - er det ikkedet eneste brændstof til rumfartøjet produceret af solen. NASA-forskere har for nylig modtaget ekstra midler til at forske på det avancerede koncept med ultra-hurtigt sejl, fremdrevet af ladede partikler i solvinden.

Det kaldes et elektrisk sejl, e-sejl. Denne idé blev først foreslået af Pekka Janhunen, en forsker ved det finske meteorologiske institut. Han præsenterede et apparat omgivet af 20 tyndeste ledninger hver 20 kilometer lang.

Disse ledninger genererer en positivt ladetet elektrisk felt, der strækker sig titusindes meter ud i rummet. Protonerne fra solvinden, der kører med hastigheder over 750 kilometer i sekundet, frastøttes af dette elektriske felt som svar på at udvise rumfartøjet. Negativt ladede partikler fra solvinden slukkes med en slags "elektronpistol", så det elektriske sejl opretholder et positivt ladet elektrisk felt.

Det elektriske sejl vil have meget brændstof. Hvis sollyset, der skubber solsejlet, svækkes markant, når rumfartøjet når asteroidebæltet, blæser solvinden stadig kraftigt. Over tid kan det elektriske sejl accelereres til 100-150 km / s.

Dette betyder, at rumsonder kan nåJupiter på bare to år eller Pluto på fem. Et elektrisk sejl kan give helt nye muligheder for udforskning af rummet, give os mulighed for at udføre en ekspressrejse uden for solsystemet, ind i det interstellare rum.

Voyager 1 tog 35 år at nå grænserne i solsystemet. Et solsejl ville gennemføre en sådan tur om 20 år og et elektrisk sejl om 10 år.

”Jeg må indrømme for to og et halvt år siden,da min chef kom til mig og sagde, ”vi vil have dig til at se på dette”, jeg ærligt talt, ”siger Bruce Wigmann, NASAs systemingeniør. - Så kiggede vi og sagde, siger de, meget interessante. De er gået fra vantro til troende. ”

Faktisk mener Wigmann, at prototypenkan lanceres på kun fem år. Men du skal løse et par vigtige problemer. Selvom et elektrisk sejl ikke har brug for brændstof, har det brug for en kraftig energikilde til en elektronpistol, der slår elektroner. Hvor meget energi? Afhænger af antallet af elektroner, som det elektriske sejl opsamler. NASA-eksperter studerer dette problem ved hjælp af en ladet ledning i et plasmakammer, der simulerer solvinden.

Et andet problem er at forebyggebøjninger af tynde lange ledninger, når de udsættes for solvinden. Løsning: drej enheden med en hastighed, der giver tilstrækkelig centrifugalkraft, så ledningerne forbliver strakt.

Næste stop: Alpha Centauri

Uden for NASA har Forest Johnson et andet job: han skriver science fiction. Faktisk er han taknemmelig for romanen fra 1974 "Tæve i Guds øje" for at vække interesse for solsejl.

Ikke underligt, at han drømmer om en fjern fremtid. Han vil have, at solsejlet skal gå til et andet solsystem.

”Vi kunne bygge en stor laser,” sigerdet er han. - Når sejlet bevæger sig væk fra solen og sollyset bliver mindre og mindre, kan du fremhæve det med laserlys og fortsætte med at bevæge sig. Laseren forbliver i solens bane og fortsætter med at accelerere sejlet hurtigere og hurtigere, indtil det forlader solsystemet. ”

Naturligvis forbliver tekniske vanskeligheder,som skal afgøres. For det første skal sejlet være på størrelse med Texas. Og den orbitale laser bliver nødt til at generere energi, hvis volumen kan sammenlignes med den, som hele verden producerer i dag. Det lyder selvfølgelig så som så, men meget kan gøres om hundrede år.

Det første rumfartøj oprettet af mennesker ogsendt til et andet system, kan ankomme der som dets oceaniske forfædre i æraen med de store geografiske opdagelser: under indsatte sejl og sejle gennem stjernerne.