Et solseil er en måte å drive et romfartøy på ved å bruke trykket fra lette og høyhastighetsgasser (også k alt sollystrykk) som sendes ut av en stjerne. La oss se nærmere på enheten.
Å bruke et seil betyr rimelige romreiser kombinert med forlenget levetid. På grunn av mangelen på mange bevegelige deler, samt behovet for å bruke drivmiddel, er et slikt skip potensielt gjenbrukbart for levering av nyttelast. Navnene lys eller foton seil brukes også noen ganger.
Konsepthistorie
Johannes Kepler la en gang merke til at halen på en komet ser bort fra solen, og antydet at det er stjernen som produserer denne effekten. I et brev til Galileo i 1610 skrev han: «Gi skipet et seil tilpasset solbrisen, og det vil være de som våger å utforske dette tomrommet». Kanskje, med disse ordene, refererte han nettopp til fenomenet "komethalen", selv om publikasjoner om dette emnet dukket opp flere år senere.
James K. Maxwell publiserte på 60-tallet av 1800-tallet teorien om det elektromagnetiske feltet ogstråling, der han viste at lys har momentum og dermed kan utøve press på objekter. Maxwells ligninger gir det teoretiske grunnlaget for lett trykkbevegelse. Derfor var det allerede i 1864 kjent i og utenfor fysikkmiljøet at sollys bærer en impuls som utøver press på objekter.
Først demonstrerte Pyotr Lebedev eksperimentelt lystrykket i 1899, og deretter utførte Ernest Nichols og Gordon Hull et lignende uavhengig eksperiment i 1901 ved bruk av Nichols-radiometeret.
Albert Einstein introduserte en annen formulering, som anerkjente ekvivalensen mellom masse og energi. Nå kan vi ganske enkelt skrive p=E/c som forholdet mellom momentum, energi og lyshastighet.
Svante Arrhenius spådde i 1908 muligheten for trykk fra solstråling som bærer levende sporer over interstellare avstander, og som et resultat av konseptet panspermia. Han var den første forskeren som hevdet at lys kunne flytte objekter mellom stjerner.
Friedrich Zander publiserte en artikkel inkludert en teknisk analyse av solseilet. Han skrev om "bruken av enorme og veldig tynne speilark" og "trykket fra sollys for å oppnå kosmiske hastigheter."
De første formelle prosjektene for å utvikle denne teknologien startet i 1976 ved Jet Propulsion Laboratory for et foreslått møte med Halley's Comet.
Hvordan et solseil fungerer
Lys påvirker alle kjøretøyer i eller i bane rundt planeteninterplanetarisk rom. For eksempel vil et konvensjonelt romfartøy på vei til Mars være mer enn 1000 km unna solen. Disse effektene har blitt tatt med i planlegging av romreiser siden det aller første interplanetariske romfartøyet på 1960-tallet. Stråling påvirker også posisjonen til kjøretøyet, og denne faktoren må tas i betraktning i utformingen av skipet. Kraften på solseilet er 1 newton eller mindre.
Bruken av denne teknologien er praktisk i interstellare baner, der enhver handling utføres i lavt tempo. Det lette seilets kraftvektor er orientert langs solens linje, noe som øker banens energi og vinkelmomentum, noe som får skipet til å bevege seg lenger bort fra solen. For å endre helningen til banen er kraftvektoren utenfor hastighetsvektorens plan.
Posisjonskontroll
Et romfartøys Attitude Control System (ACS) er nødvendig for å nå og endre ønsket posisjon mens de reiser gjennom universet. Den innstilte posisjonen til apparatet endres veldig sakte, ofte mindre enn én grad per dag i interplanetarisk rom. Denne prosessen skjer mye raskere i banene til planetene. Kontrollsystemet for et kjøretøy som bruker et solseil må oppfylle alle orienteringskrav.
Kontroll oppnås ved en relativ forskyvning mellom fartøyets trykksenter og massesenter. Dette kan oppnås med kontrollvinger, flytting av individuelle seil, flytting av en kontrollmasse eller endring av refleksevner.
Stående posisjon krever ACS for å opprettholde netto dreiemoment på null. Seilets kraftmoment er ikke konstant langs banen. Endringer med avstand fra sola og vinkel, noe som korrigerer seilets skaft og avbøyer enkelte elementer i støttestrukturen, noe som resulterer i endringer i kraft og dreiemoment.
Restrictions
Solseilet vil ikke kunne jobbe i lavere høyde enn 800 km fra jorden, siden opp til denne avstanden overstiger luftmotstandskraften den lette trykkkraften. Det vil si at påvirkningen av soltrykket er svakt merkbar, og det vil rett og slett ikke fungere. Seilfartøyets svinghastighet må være kompatibel med banen, som vanligvis bare er et problem for konfigurasjoner med roterende skiver.
Driftstemperatur avhenger av solavstand, vinkel, reflektivitet og radiatorer foran og bak. Seilet kan kun brukes der temperaturen holdes innenfor sine materialgrenser. Det kan generelt brukes ganske nær solen, rundt 0,25 AU, hvis skipet er nøye designet for disse forholdene.
Konfigurasjon
Eric Drexler laget en prototype solseil av et spesielt materiale. Det er en ramme med et panel av tynn aluminiumsfilm med en tykkelse på 30 til 100 nanometer. Seilet roterer og må være konstant under press. Denne typen struktur har et høyt areal per masseenhet og derforakselerasjon "femti ganger raskere" enn de som er basert på utplasserbare plastfilmer. Det er et firkantet seil med master og tvillinglinjer på den mørke siden av seilet. Fire kryssende master og en vinkelrett på midten for å holde ledningene.
Elektronisk design
Pekka Janhunen oppfant det elektriske seilet. Mekanisk har den lite til felles med tradisjonell lysdesign. Seilene erstattes av rettede ledende kabler (tråder) anordnet radi alt rundt skipet. De lager et elektrisk felt. Den strekker seg flere titalls meter inn i plasmaet til den omkringliggende solvinden. Solelektroner reflekteres av det elektriske feltet (som fotoner på et tradisjonelt solseil). Skipet kan styres ved å regulere den elektriske ladningen til ledningene. Det elektriske seilet har 50-100 rettede ledninger, ca. 20 km lange.
Hva er den laget av?
Materialet utviklet for Drexlers solseil er en tynn aluminiumsfilm som er 0,1 mikrometer tykk. Som forventet har den vist tilstrekkelig styrke og pålitelighet for bruk i verdensrommet, men ikke for folding, utskyting og utplassering.
Det vanligste materialet i moderne design er aluminiumsfilm "Kapton" 2 mikron i størrelse. Den motstår høye temperaturer nær solen og er sterk nok.
Det var noen teoretiskespekulasjoner om bruk av molekylære produksjonsteknikker for å lage et avansert, sterkt, ultralett seil basert på nanorør-stoffnett der de vevde "gapene" er mindre enn halvparten av lysets bølgelengde. Et slikt materiale ble kun laget i laboratoriet, og midler for produksjon i industriell skala er ennå ikke tilgjengelig.
Det lette seilet åpner store muligheter for interstellare reiser. Selvfølgelig er det fortsatt mange spørsmål og problemer som må møtes før det å reise gjennom universet med et slikt romfartøydesign blir en vanlig ting for menneskeheten.
