Một cánh buồm năng lượng mặt trời là một cách để đẩy một tàu vũ trụ bằng cách sử dụng áp suất của ánh sáng và khí vận tốc cao (còn gọi là áp suất ánh sáng mặt trời) do một ngôi sao phát ra. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn thiết bị của nó.
Sử dụng buồm có nghĩa là du hành vũ trụ với chi phí thấp kết hợp với tuổi thọ kéo dài. Do thiếu nhiều bộ phận chuyển động, cũng như nhu cầu sử dụng thuốc phóng, con tàu như vậy có khả năng tái sử dụng để vận chuyển hàng hóa có trọng tải. Tên gọi ánh sáng hoặc cánh buồm photon đôi khi cũng được sử dụng.
Câu chuyện khái niệm
Johannes Kepler đã từng nhận thấy rằng phần đuôi của một sao chổi nhìn ra xa Mặt trời, và cho rằng đó là ngôi sao tạo ra hiệu ứng này. Trong một bức thư gửi Galileo năm 1610, ông viết: "Cung cấp cho con tàu một cánh buồm thích ứng với gió mặt trời, và sẽ có những người dám khám phá khoảng trống này". Có lẽ, với những từ này, ông đã nói đến chính xác hiện tượng "đuôi sao chổi", mặc dù các ấn phẩm về chủ đề này đã xuất hiện vài năm sau đó.
James K. Maxwell vào những năm 60 của thế kỷ XIX đã công bố lý thuyết về trường điện từ vàbức xạ, trong đó ông đã chỉ ra rằng ánh sáng có động lượng và do đó có thể gây áp lực lên các vật thể. Phương trình Maxwell cung cấp cơ sở lý thuyết cho sự chuyển động của áp suất ánh sáng. Do đó, ngay từ năm 1864, trong và ngoài cộng đồng vật lý đã biết rằng ánh sáng mặt trời mang xung động gây áp lực lên các vật thể.
Đầu tiên, Pyotr Lebedev đã chứng minh bằng thực nghiệm áp suất của ánh sáng vào năm 1899, sau đó Ernest Nichols và Gordon Hull đã tiến hành một thí nghiệm độc lập tương tự vào năm 1901 bằng cách sử dụng máy đo bức xạ Nichols.
Albert Einstein đã giới thiệu một công thức khác, công nhận sự tương đương của khối lượng và năng lượng. Bây giờ chúng ta có thể đơn giản viết p=E / c là tỷ số giữa động lượng, năng lượng và tốc độ ánh sáng.
Svante Arrhenius đã dự đoán vào năm 1908 khả năng áp suất từ bức xạ mặt trời mang bào tử sống qua khoảng cách giữa các vì sao, và kết quả là khái niệm về bệnh panspermia. Ông là nhà khoa học đầu tiên tuyên bố rằng ánh sáng có thể di chuyển các vật thể giữa các ngôi sao.
Friedrich Zander đã xuất bản một bài báo bao gồm phân tích kỹ thuật của cánh buồm mặt trời. Ông đã viết về "việc sử dụng những tấm gương khổng lồ và rất mỏng" và "áp lực của ánh sáng mặt trời để đạt được tốc độ vũ trụ."
Các dự án chính thức đầu tiên để phát triển công nghệ này bắt đầu vào năm 1976 tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực cho một nhiệm vụ điểm hẹn được đề xuất với Sao chổi Halley.
Cách hoạt động của cánh buồm mặt trời
Ánh sáng ảnh hưởng đến tất cả các phương tiện trong quỹ đạo của hành tinh hoặc trongkhông gian liên hành tinh. Ví dụ, một tàu vũ trụ thông thường đến sao Hỏa sẽ cách Mặt trời hơn 1.000 km. Những hiệu ứng này đã được đưa vào quy hoạch quỹ đạo du hành vũ trụ kể từ khi có tàu vũ trụ liên hành tinh đầu tiên vào những năm 1960. Bức xạ cũng ảnh hưởng đến vị trí của phương tiện, và yếu tố này phải được tính đến trong thiết kế của con tàu. Lực tác dụng lên cánh buồm mặt trời là 1 newton hoặc nhỏ hơn.
Việc sử dụng công nghệ này thuận tiện trong quỹ đạo giữa các vì sao, nơi bất kỳ hành động nào được thực hiện với tốc độ thấp. Vectơ lực của cánh buồm nhẹ hướng dọc theo đường mặt trời, làm tăng năng lượng và mômen động lượng của quỹ đạo, làm cho con tàu di chuyển ra xa mặt trời hơn. Để thay đổi độ nghiêng của quỹ đạo, vectơ lực nằm ngoài mặt phẳng của vectơ vận tốc.
Kiểm soát vị trí
Cần có Hệ thống Kiểm soát Thái độ (ACS) của tàu vũ trụ để tiếp cận và thay đổi vị trí mong muốn khi du hành trong Vũ trụ. Vị trí đặt của bộ máy thay đổi rất chậm, thường ít hơn một độ mỗi ngày trong không gian liên hành tinh. Quá trình này xảy ra nhanh hơn nhiều trong quỹ đạo của các hành tinh. Hệ thống điều khiển cho phương tiện sử dụng cánh buồm mặt trời phải đáp ứng tất cả các yêu cầu về định hướng.
Kiểm soát được thực hiện bằng sự dịch chuyển tương đối giữa tâm áp suất của bình và khối tâm của nó. Điều này có thể đạt được với các cánh điều khiển, di chuyển các cánh buồm riêng lẻ, di chuyển khối điều khiển hoặc thay đổi phản xạkhả năng.
Vị trí đứng yêu cầu ACS duy trì mô-men xoắn thực ở mức 0. Mômen lực của cánh buồm không đổi dọc theo quỹ đạo. Những thay đổi theo khoảng cách từ mặt trời và góc, điều này sẽ sửa trục của cánh buồm và làm lệch một số yếu tố của kết cấu hỗ trợ, dẫn đến những thay đổi về lực và mô-men xoắn.
Hạn chế
Cánh buồm mặt trời sẽ không thể hoạt động ở độ cao thấp hơn 800 km so với Trái đất, vì cho đến khoảng cách này lực cản của không khí vượt quá lực áp suất ánh sáng. Đó là, ảnh hưởng của áp suất mặt trời là yếu, và nó chỉ đơn giản là sẽ không hoạt động. Tốc độ quay của tàu buồm phải tương thích với quỹ đạo, điều này thường chỉ là vấn đề đối với cấu hình đĩa quay.
Nhiệt độ hoạt động phụ thuộc vào khoảng cách, góc, hệ số phản xạ và bộ tản nhiệt phía trước và phía sau của mặt trời. Cánh buồm chỉ có thể được sử dụng khi nhiệt độ được giữ trong giới hạn vật liệu của nó. Nhìn chung, nó có thể được sử dụng khá gần với mặt trời, khoảng 0,25 AU, nếu con tàu được thiết kế cẩn thận cho những điều kiện đó.
Cấu hình
Eric Drexler đã tạo ra một chiếc buồm năng lượng mặt trời nguyên mẫu từ một vật liệu đặc biệt. Nó là một khung với một bảng điều khiển bằng màng nhôm mỏng có độ dày từ 30 đến 100 nanomet. Cánh buồm quay và phải thường xuyên chịu áp lực. Loại cấu trúc này có diện tích trên một đơn vị khối lượng cao và do đótăng tốc "nhanh hơn năm mươi lần" so với tốc độ dựa trên màng nhựa có thể triển khai. Đó là một cánh buồm vuông với các cột buồm và đôi vạch trên mặt tối của cánh buồm. Bốn cột buồm giao nhau và một cột vuông góc với tâm để giữ dây.
Thiết kế điện tử
Pekka Janhunen đã phát minh ra cánh buồm điện. Về mặt cơ học, nó có rất ít điểm chung với thiết kế đèn truyền thống. Các cánh buồm được thay thế bằng các dây (dây) dẫn điện thẳng được bố trí xuyên tâm xung quanh con tàu. Chúng tạo ra một điện trường. Nó kéo dài vài chục mét vào plasma của gió mặt trời xung quanh. Các điện tử mặt trời bị phản xạ bởi điện trường (giống như các photon trên một cánh buồm mặt trời truyền thống). Con tàu có thể được lái bằng cách điều chỉnh điện tích của các dây dẫn. Cánh buồm điện có từ 50-100 sợi dây được kéo thẳng, dài khoảng 20 km.
Nó được làm bằng gì?
Vật liệu được phát triển cho cánh buồm mặt trời của Drexler là một màng nhôm mỏng dày 0,1 micromet. Đúng như dự đoán, nó đã chứng tỏ đủ sức mạnh và độ tin cậy để sử dụng trong không gian, nhưng không phải để gấp, phóng và triển khai.
Chất liệu phổ biến nhất trong các thiết kế hiện đại là màng nhôm "Kapton" có kích thước 2 micron. Nó chịu được nhiệt độ cao gần Mặt trời và đủ mạnh.
Có một số lý thuyếtsuy đoán về việc áp dụng các kỹ thuật sản xuất phân tử để tạo ra một cánh buồm tiên tiến, mạnh mẽ, siêu nhẹ dựa trên các lưới vải ống nano nơi các "khoảng trống" dệt có kích thước nhỏ hơn một nửa bước sóng ánh sáng. Vật liệu như vậy chỉ được tạo ra trong phòng thí nghiệm và các phương tiện để sản xuất ở quy mô công nghiệp vẫn chưa có sẵn.
Cánh buồm nhẹ mở ra triển vọng du ngoạn giữa các vì sao. Tất nhiên, vẫn còn rất nhiều câu hỏi và vấn đề sẽ phải đối mặt trước khi việc du hành xuyên vũ trụ với thiết kế tàu vũ trụ như vậy trở thành một việc chung của nhân loại.
