Slnečná plachta je spôsob, ako poháňať vesmírnu loď pomocou tlaku svetla a plynov s vysokou rýchlosťou (tiež nazývaného tlak slnečného svetla), ktoré vyžaruje hviezda. Pozrime sa bližšie na jeho zariadenie.
Používanie plachty znamená nízkonákladové cestovanie vesmírom v kombinácii s predĺženou životnosťou. Kvôli nedostatku mnohých pohyblivých častí, ako aj potrebe použiť pohonnú látku, je takáto loď potenciálne opätovne použiteľná na dodávanie užitočného zaťaženia. Niekedy sa používajú aj názvy svetelná alebo fotónová plachta.
Príbeh konceptu
Johannes Kepler si raz všimol, že chvost kométy sa pozerá preč od Slnka, a navrhol, že je to hviezda, ktorá vytvára tento efekt. V liste Galileovi v roku 1610 napísal: "Poskytnite lodi plachtu prispôsobenú slnečnému vánku a nájdu sa takí, ktorí sa odvážia preskúmať túto prázdnotu." Možno týmito slovami poukázal práve na fenomén „chvosta kométy“, hoci publikácie na túto tému sa objavili o niekoľko rokov neskôr.
James K. Maxwell v 60. rokoch 19. storočia publikoval teóriu elektromagnetického poľa ažiarenia, v ktorom ukázal, že svetlo má hybnosť a teda môže vyvíjať tlak na predmety. Maxwellove rovnice poskytujú teoretický základ pre pohyb ľahkého tlaku. Preto už v roku 1864 bolo vo fyzikálnej komunite aj mimo nej známe, že slnečné svetlo nesie impulz, ktorý vyvíja tlak na objekty.
Po prvé, Pyotr Lebedev experimentálne demonštroval tlak svetla v roku 1899 a potom Ernest Nichols a Gordon Hull vykonali podobný nezávislý experiment v roku 1901 pomocou Nicholsovho rádiometra.
Albert Einstein predstavil inú formuláciu, uznávajúc ekvivalenciu hmoty a energie. Teraz môžeme jednoducho napísať p=E/c ako pomer medzi hybnosťou, energiou a rýchlosťou svetla.
Svante Arrhenius v roku 1908 predpovedal možnosť tlaku slnečného žiarenia prenášajúceho živé spóry na medzihviezdne vzdialenosti a v dôsledku toho koncept panspermie. Bol prvým vedcom, ktorý tvrdil, že svetlo môže pohybovať objektmi medzi hviezdami.
Friedrich Zander publikoval článok vrátane technickej analýzy slnečnej plachty. Napísal o „použití obrovských a veľmi tenkých plátov zrkadiel“a „tlaku slnečného svetla na dosiahnutie kozmických rýchlostí.“
Prvé formálne projekty na vývoj tejto technológie sa začali v roku 1976 v Laboratóriu prúdového pohonu pri navrhovanej misii stretnutia s Halleyho kométou.
Ako funguje solárna plachta
Svetlo ovplyvňuje všetky vozidlá na obežnej dráhe planéty alebo na nejmedziplanetárny priestor. Napríklad konvenčná kozmická loď smerujúca na Mars by bola od Slnka vzdialená viac ako 1000 km. Tieto účinky boli zohľadnené pri plánovaní trajektórie cestovania do vesmíru od úplne prvej medziplanetárnej kozmickej lode v 60. rokoch 20. storočia. Žiarenie ovplyvňuje aj polohu vozidla a tento faktor je potrebné zohľadniť pri návrhu lode. Sila pôsobiaca na slnečnú plachtu je 1 newton alebo menej.
Použitie tejto technológie je pohodlné na medzihviezdnych obežných dráhach, kde sa akákoľvek akcia vykonáva pomalým tempom. Vektor sily ľahkej plachty je orientovaný pozdĺž slnečnej línie, čo zvyšuje energiu a uhlovú hybnosť obežnej dráhy, čo spôsobuje, že sa loď vzďaľuje od Slnka. Ak chcete zmeniť sklon obežnej dráhy, vektor sily je mimo rovinu vektora rýchlosti.
Ovládanie polohy
Atitude Control System (ACS) kozmickej lode je potrebný na dosiahnutie a zmenu požadovanej polohy počas cestovania vesmírom. Nastavená poloha aparátu sa mení veľmi pomaly, často menej ako jeden stupeň za deň v medziplanetárnom priestore. Tento proces prebieha oveľa rýchlejšie na obežných dráhach planét. Riadiaci systém pre vozidlo využívajúce solárnu plachtu musí spĺňať všetky požiadavky na orientáciu.
Kontrola sa dosiahne relatívnym posunom medzi stredom tlaku nádoby a jej ťažiskom. Dá sa to dosiahnuť pomocou ovládacích lopatiek, posúvaním jednotlivých plachiet, posúvaním riadiacej hmoty alebo výmenou reflexných prvkovschopnosti.
Stojná poloha vyžaduje, aby ACS udržal čistý krútiaci moment na nule. Moment sily plachty nie je konštantný pozdĺž trajektórie. Zmeny so vzdialenosťou od slnka a uhlom, čo koriguje hriadeľ plachty a vychyľuje niektoré prvky nosnej konštrukcie, čo vedie k zmenám sily a krútiaceho momentu.
Obmedzenia
Slnečná plachta nebude schopná pracovať vo výške nižšej ako 800 km od Zeme, pretože do tejto vzdialenosti prevyšuje sila odporu vzduchu silu ľahkého tlaku. To znamená, že vplyv slnečného tlaku je slabo viditeľný a jednoducho to nebude fungovať. Rýchlosť otáčania plachetnice musí byť kompatibilná s obežnou dráhou, čo je zvyčajne problém iba pri konfiguráciách s rotujúcim diskom.
Prevádzková teplota závisí od slnečnej vzdialenosti, uhla, odrazivosti a predných a zadných žiaričov. Plachtu možno použiť len tam, kde sa teplota udržiava v medziach materiálu. Vo všeobecnosti sa dá použiť pomerne blízko slnka, okolo 0,25 AU, ak je loď starostlivo navrhnutá pre tieto podmienky.
Konfigurácia
Eric Drexler vyrobil prototyp solárnej plachty zo špeciálneho materiálu. Ide o rám s panelom z tenkej hliníkovej fólie s hrúbkou 30 až 100 nanometrov. Plachta sa otáča a musí byť neustále pod tlakom. Tento typ konštrukcie má veľkú plochu na jednotku hmotnosti a pretozrýchlenie "päťdesiatkrát rýchlejšie" ako tie, ktoré sú založené na nasaditeľných plastových fóliách. Je to štvorcová plachta so sťažňami a dvojitými líniami na tmavej strane plachty. Štyri pretínajúce sa stožiare a jeden kolmý na stred na uchytenie drôtov.
Elektronický dizajn
Pekka Janhunen vynašiel elektrickú plachtu. Mechanicky má len málo spoločného s tradičným svetelným dizajnom. Plachty sú nahradené narovnanými vodivými káblami (drôty) usporiadanými radiálne okolo lode. Vytvárajú elektrické pole. Presahuje niekoľko desiatok metrov do plazmy okolitého slnečného vetra. Slnečné elektróny sú odrážané elektrickým poľom (ako fotóny na tradičnej slnečnej plachte). Loď je možné riadiť reguláciou elektrického náboja drôtov. Elektrická plachta má 50-100 narovnaných drôtov, dlhých asi 20 km.
Z čoho je vyrobený?
Materiál vyvinutý pre solárnu plachtu Drexler je tenký hliníkový film s hrúbkou 0,1 mikrometra. Ako sa očakávalo, preukázala dostatočnú pevnosť a spoľahlivosť na použitie vo vesmíre, ale nie na skladanie, vypúšťanie a rozmiestnenie.
Najčastejším materiálom v moderných dizajnoch je hliníková fólia "Kapton" s veľkosťou 2 mikróny. Odoláva vysokým teplotám v blízkosti Slnka a je dostatočne pevná.
Boli nejaké teoretickéšpekulácie o aplikovaní techník molekulárnej výroby na vytvorenie pokročilej, silnej, ultraľahkej plachty založenej na mriežkach z nanorúrok, kde sú tkané „medzery“menšie ako polovica vlnovej dĺžky svetla. Takýto materiál bol vytvorený iba v laboratóriu a prostriedky na výrobu v priemyselnom meradle zatiaľ nie sú k dispozícii.
Ľahká plachta otvára skvelé vyhliadky na medzihviezdne cestovanie. Samozrejme, stále existuje veľa otázok a problémov, ktorým bude treba čeliť, kým sa cestovanie vesmírom s takýmto dizajnom kozmickej lode stane pre ľudstvo bežnou vecou.
