Güneş yelkeni, bir yıldızın yaydığı ışık ve yüksek hızlı gazların (güneş ışığı basıncı olarak da adlandırılır) basıncını kullanarak bir uzay aracını hareket ettirmenin bir yoludur. Cihazına daha yakından bakalım.
Yelken kullanmak, uzun ömür ile birlikte düşük maliyetli uzay yolculuğu anlamına gelir. Pek çok hareketli parçanın olmaması ve itici gaz kullanma ihtiyacı nedeniyle, böyle bir gemi potansiyel olarak yüklerin teslimatı için yeniden kullanılabilir. Işık veya foton yelken isimleri de bazen kullanılır.
Konsept hikayesi
Johannes Kepler bir keresinde bir kuyruklu yıldızın kuyruğunun Güneş'ten uzağa baktığını fark etmiş ve bu etkiyi yaratanın yıldız olduğunu öne sürmüştür. 1610'da Galileo'ya yazdığı bir mektupta şöyle yazmıştı: "Gemiye güneş esintisine uyarlanmış bir yelken sağlayın ve bu boşluğu keşfetmeye cüret edenler olacaktır." Belki de bu sözlerle, bu konuyla ilgili yayınlar birkaç yıl sonra ortaya çıkmasına rağmen, tam olarak "kuyruklu yıldız kuyruğu" fenomenine atıfta bulundu.
James K. Maxwell, XIX yüzyılın 60'larında elektromanyetik alan teorisini yayınladı veIşığın momentuma sahip olduğunu ve bu nedenle nesneler üzerinde baskı uygulayabileceğini gösterdiği radyasyon. Maxwell denklemleri, hafif basınç hareketi için teorik temeli sağlar. Bu nedenle, 1864 gibi erken bir tarihte, güneş ışığının nesneler üzerinde baskı uygulayan bir dürtü taşıdığı fizik topluluğu içinde ve dışında biliniyordu.
İlk olarak, Pyotr Lebedev 1899'da deneysel olarak ışığın basıncını gösterdi ve ardından Ernest Nichols ve Gordon Hull, 1901'de Nichols radyometresini kullanarak benzer bir bağımsız deney yaptı.
Albert Einstein, kütle ve enerjinin denkliğini kabul ederek farklı bir formülasyon sundu. Şimdi momentum, enerji ve ışık hızı arasındaki oran olarak p=E/c yazabiliriz.
Svante Arrhenius 1908'de yıldızlararası mesafeler boyunca canlı sporlar taşıyan güneş radyasyonu baskısı olasılığını ve bunun sonucunda panspermi kavramını öngördü. Işığın nesneleri yıldızlar arasında hareket ettirebileceğini iddia eden ilk bilim insanıydı.
Friedrich Zander, güneş yelkeninin teknik analizini içeren bir makale yayınladı. "Büyük ve çok ince ayna tabakalarının kullanımı" ve "kozmik hızlara ulaşmak için güneş ışığının baskısı" hakkında yazdı.
Bu teknolojiyi geliştirmeye yönelik ilk resmi projeler 1976'da, Halley Kuyruklu Yıldızı ile önerilen bir randevu görevi için Jet Propulsion Laboratuvarı'nda başladı.
Güneş yelkeni nasıl çalışır
Işık, gezegenin yörüngesindeki veya içindeki tüm araçları etkiler.gezegenler arası uzay. Örneğin, Mars'a giden geleneksel bir uzay aracı, Güneş'ten 1.000 km'den daha uzakta olacaktır. Bu etkiler, 1960'lardaki ilk gezegenler arası uzay aracından bu yana uzay yolculuğu yörünge planlamasına dahil edildi. Radyasyon ayrıca aracın konumunu da etkiler ve geminin tasarımında bu faktör dikkate alınmalıdır. Güneş yelkenindeki kuvvet 1 Newton veya daha azdır.
Bu teknolojinin kullanımı, herhangi bir eylemin düşük hızda gerçekleştirildiği yıldızlararası yörüngelerde uygundur. Hafif yelkenin kuvvet vektörü, yörüngenin enerjisini ve açısal momentumunu artıran, geminin güneşten daha uzağa hareket etmesine neden olan güneş çizgisi boyunca yönlendirilir. Yörüngenin eğimini değiştirmek için, kuvvet vektörü hız vektörünün düzleminin dışındadır.
Konum kontrolü
Bir uzay aracının, Evrende seyahat ederken istenen konuma ulaşmak ve bu pozisyonu değiştirmek için Tutum Kontrol Sistemine (ACS) ihtiyaç vardır. Düzeneğin ayarlanan konumu, gezegenler arası uzayda genellikle günde bir dereceden daha az olmak üzere çok yavaş değişir. Bu süreç gezegenlerin yörüngelerinde çok daha hızlı gerçekleşir. Güneş yelkeni kullanan bir aracın kontrol sistemi, tüm oryantasyon gereksinimlerini karşılamalıdır.
Kontrol, kabın basınç merkezi ile kütle merkezi arasındaki göreceli bir kayma ile sağlanır. Bu, kontrol kanatları, bireysel yelkenlerin hareket ettirilmesi, bir kontrol kütlesinin hareket ettirilmesi veya yansıtıcı ışığın değiştirilmesi ile gerçekleştirilebilir.yetenekler.
Durma konumu, ACS'nin net torku sıfırda tutmasını gerektirir. Yelkenin kuvvet momenti yörünge boyunca sabit değildir. Yelkenin şaftını düzelten ve destek yapısının bazı elemanlarını saptıran, kuvvet ve torkta değişikliklere neden olan, güneşten uzaklık ve açıyla olan değişiklikler.
Kısıtlamalar
Güneş yelkeni Dünya'dan 800 km'den daha düşük bir irtifada çalışamayacak, çünkü bu mesafeye kadar hava direnci kuvveti hafif basınç kuvvetini aşıyor. Yani, güneş basıncının etkisi zayıf bir şekilde fark edilir ve işe yaramaz. Yelkenli teknenin dönüş hızı yörünge ile uyumlu olmalıdır, bu genellikle sadece dönen disk konfigürasyonları için bir problemdir.
Çalışma sıcaklığı güneş enerjisi mesafesine, açıya, yansıtmaya ve ön ve arka radyatörlere bağlıdır. Yelken sadece sıcaklığın malzeme sınırları içinde tutulduğu durumlarda kullanılabilir. Gemi bu koşullar için dikkatlice tasarlanmışsa, genellikle güneşe oldukça yakın, 0.25 AU civarında kullanılabilir.
Yapılandırma
Eric Drexler, özel bir malzemeden bir prototip güneş yelkeni yaptı. 30 ila 100 nanometre kalınlığında ince alüminyum film panelli bir çerçevedir. Yelken döner ve sürekli basınç altında olmalıdır. Bu tür bir yapı, birim kütle başına yüksek bir alana sahiptir ve bu nedenleYerleştirilebilir plastik filmlere dayalı olanlardan "elli kat daha hızlı" hızlanma. Yelkenin karanlık tarafında direkleri ve çift çizgileri olan kare bir yelkendir. Dört kesişen direk ve biri kabloları tutmak için merkeze dik.
Elektronik tasarım
Pekka Janhunen elektrikli yelkeni icat etti. Mekanik olarak, geleneksel ışık tasarımıyla çok az ortak noktası vardır. Yelkenler, geminin etrafına radyal olarak yerleştirilmiş düzleştirilmiş iletken kablolar (teller) ile değiştirilir. Bir elektrik alanı oluştururlar. Çevredeki güneş rüzgarının plazmasına birkaç on metre uzanır. Güneş elektronları elektrik alanı tarafından yansıtılır (geleneksel bir güneş yelkenindeki fotonlar gibi). Tellerin elektrik yükü düzenlenerek gemi yönlendirilebilir. Elektrikli yelken, yaklaşık 20 km uzunluğunda 50-100 düzleştirilmiş tele sahiptir.
Neyden yapılmıştır?
Drexler'in güneş yelkeni için geliştirilen malzeme 0,1 mikrometre kalınlığında ince bir alüminyum filmdir. Beklendiği gibi, uzayda kullanım için yeterli güç ve güvenilirlik gösterdi, ancak katlama, fırlatma ve yerleştirme için değil.
Modern tasarımlarda en yaygın kullanılan malzeme 2 mikron boyutunda alüminyum film "Kapton" dır. Güneş'in yakınında yüksek sıcaklıklara direnir ve yeterince güçlüdür.
Teorik olanlar vardıDokuma "boşlukların" ışığın dalga boyunun yarısından daha az olduğu nanotüp kumaş ızgaralarına dayalı gelişmiş, güçlü, ultra hafif bir yelken oluşturmak için moleküler üretim tekniklerinin uygulanmasıyla ilgili spekülasyonlar. Böyle bir malzeme yalnızca laboratuvarda oluşturuldu ve endüstriyel ölçekte üretim araçları henüz mevcut değil.
Hafif yelken, yıldızlararası seyahat için büyük fırsatlar sunuyor. Tabii ki, böyle bir uzay aracı tasarımı ile evrende seyahat etmeden önce, insanlık için ortak bir şey haline gelmeden önce, karşılaşılması gereken birçok soru ve sorun var.
