الشراع الشمسي هو وسيلة لدفع مركبة فضائية باستخدام ضغط الضوء والغازات عالية السرعة (وتسمى أيضًا ضغط الضوء الشمسي) المنبعثة من النجم. دعونا نلقي نظرة فاحصة على أجهزتها.
استخدام الشراع يعني السفر في الفضاء بتكلفة منخفضة بالإضافة إلى العمر الافتراضي الطويل. نظرًا لعدم وجود العديد من الأجزاء المتحركة ، فضلاً عن الحاجة إلى استخدام الوقود الدافع ، فمن المحتمل أن تكون هذه السفينة قابلة لإعادة الاستخدام لتوصيل الحمولات. تُستخدم أحيانًا أسماء الضوء أو شراع الفوتون.
قصة المفهوم
لاحظ يوهانس كيبلر ذات مرة أن ذيل المذنب يبتعد عن الشمس ، واقترح أن النجم هو الذي ينتج هذا التأثير. في رسالة إلى جاليليو عام 1610 ، كتب: "وفر للسفينة شراعًا يتكيف مع نسيم الشمس ، وسيكون هناك من يجرؤ على استكشاف هذا الفراغ". ربما ، بهذه الكلمات ، أشار بالتحديد إلى ظاهرة "ذيل المذنب" ، على الرغم من ظهور المنشورات حول هذا الموضوع بعد عدة سنوات.
نشر جيمس ك.ماكسويل في الستينيات من القرن التاسع عشر نظرية المجال الكهرومغناطيسي والإشعاع ، حيث أظهر أن للضوء زخمًا وبالتالي يمكنه الضغط على الأشياء. توفر معادلات ماكسويل الأساس النظري لحركة الضغط الخفيف. لذلك ، في وقت مبكر من عام 1864 ، كان معروفًا داخل وخارج مجتمع الفيزياء أن ضوء الشمس يحمل دافعًا يمارس الضغط على الأشياء.
أولاً ، أظهر بيوتر ليبيديف بشكل تجريبي ضغط الضوء في عام 1899 ، ثم أجرى إرنست نيكولز وجوردون هال تجربة مستقلة مماثلة في عام 1901 باستخدام مقياس إشعاع نيكولز.
قدم ألبرت أينشتاين صيغة مختلفة ، معترفًا بتكافؤ الكتلة والطاقة. الآن يمكننا ببساطة كتابة p=E / c كنسبة بين الزخم والطاقة وسرعة الضوء.
تنبأ
Svante Arrhenius في عام 1908 بإمكانية الضغط من الإشعاع الشمسي الذي يحمل الأبواغ الحية على مسافات بين النجوم ، ونتيجة لذلك ، مفهوم البانسبيرميا. كان أول عالم يدعي أن الضوء يمكنه تحريك الأشياء بين النجوم.
نشر فريدريش زاندر ورقة تتضمن تحليلًا تقنيًا للشراع الشمسي. وكتب عن "استخدام صفائح ضخمة ورقيقة جدا من المرايا" و "ضغط ضوء الشمس لتحقيق سرعات كونية".
بدأت المشاريع الرسمية الأولى لتطوير هذه التكنولوجيا في عام 1976 في مختبر الدفع النفاث من أجل مهمة مقابلة مقترحة مع المذنب هالي.
كيف يعمل الشراع الشمسي
يؤثر الضوء على جميع المركبات في مدار الكوكب أو فيالفضاء بين الكواكب. على سبيل المثال ، قد تكون المركبة الفضائية التقليدية المتجهة إلى المريخ على بعد أكثر من 1000 كيلومتر من الشمس. تم أخذ هذه التأثيرات في الاعتبار في تخطيط مسار السفر إلى الفضاء منذ أول مركبة فضائية بين الكواكب في الستينيات. يؤثر الإشعاع أيضًا على موضع السيارة ، ويجب مراعاة هذا العامل في تصميم السفينة. القوة المؤثرة على الشراع الشمسي 1 نيوتن أو أقل.
استخدام هذه التقنية مناسب في المدارات بين النجوم ، حيث يتم تنفيذ أي عمل بوتيرة منخفضة. يتم توجيه متجه قوة الشراع الخفيف على طول خط الشمس ، مما يزيد من طاقة المدار والزخم الزاوي ، مما يتسبب في تحرك السفينة بعيدًا عن الشمس. لتغيير ميل المدار ، يكون متجه القوة خارج مستوى متجه السرعة.
التحكم في الموقع
هناك حاجة إلى نظام التحكم في الموقف (ACS) للمركبة الفضائية للوصول إلى الموضع المطلوب وتغييره أثناء السفر عبر الكون. يتغير الوضع المحدد للجهاز ببطء شديد ، وغالبًا ما يكون أقل من درجة واحدة يوميًا في الفضاء بين الكواكب. تحدث هذه العملية بشكل أسرع في مدارات الكواكب. يجب أن يفي نظام التحكم للمركبة التي تستخدم شراعًا شمسيًا بجميع متطلبات التوجيه.
يتحقق التحكم عن طريق التحول النسبي بين مركز ضغط الوعاء ومركز كتلته. يمكن تحقيق ذلك من خلال دوارات التحكم ، أو تحريك الأشرعة الفردية ، أو تحريك كتلة التحكم ، أو تغيير الانعكاسالقدرات.
يتطلب الوضع الدائم ACS للحفاظ على عزم الدوران الصافي عند الصفر. لحظة قوة الشراع ليست ثابتة على طول المسار. يتغير مع المسافة من الشمس والزاوية ، مما يصحح عمود الشراع وينحرف بعض عناصر الهيكل الداعم ، مما ينتج عنه تغيرات في القوة وعزم الدوران.
القيود
لن يتمكن الشراع الشمسي من العمل على ارتفاع أقل من 800 كم من الأرض ، لأن قوة مقاومة الهواء حتى هذه المسافة تتجاوز قوة الضغط الخفيف. أي أن تأثير الضغط الشمسي يكون ملحوظًا بشكل ضعيف ، وهو ببساطة لن يعمل. يجب أن يكون معدل دوران السفينة الشراعية متوافقًا مع المدار ، والتي عادة ما تكون مشكلة فقط لتكوينات قرص الدوران.
تعتمد درجة حرارة التشغيل على المسافة الشمسية والزاوية والانعكاس والمشعات الأمامية والخلفية. لا يمكن استخدام الشراع إلا عندما تكون درجة الحرارة ضمن حدود المواد الخاصة به. يمكن استخدامه بشكل عام بالقرب من الشمس ، حوالي 0.25 وحدة فلكية ، إذا كانت السفينة مصممة بعناية لهذه الظروف.
التكوين
صنع إريك دريكسلر نموذجًا أوليًا للشراع الشمسي من مادة خاصة. وهو عبارة عن إطار به لوح من طبقة رقيقة من الألومنيوم بسمك 30 إلى 100 نانومتر. يدور الشراع ويجب أن يتعرض للضغط باستمرار. هذا النوع من الهياكل له مساحة عالية لكل وحدة كتلة وبالتاليالتسارع "أسرع خمسين مرة" من تلك التي تعتمد على الأفلام البلاستيكية القابلة للنشر. إنه شراع مربع به صواري وخطوط مزدوجة على الجانب المظلم من الشراع. أربعة صواري متقاطعة وواحد عمودي على المركز لتثبيت الأسلاك.
تصميم الكتروني
اخترع Pekka Janhunen الشراع الكهربائي. ميكانيكيًا ، لا يوجد الكثير من القواسم المشتركة بينه وبين تصميم الإضاءة التقليدي. يتم استبدال الأشرعة بكابلات (أسلاك) موصلة مستقيمة مرتبة بشكل نصف قطري حول السفينة. يخلقون مجالًا كهربائيًا. تمتد عدة عشرات من الأمتار في بلازما الرياح الشمسية المحيطة. تنعكس الإلكترونات الشمسية عن طريق المجال الكهربائي (مثل الفوتونات الموجودة في الشراع الشمسي التقليدي). يمكن توجيه السفينة عن طريق تنظيم الشحنات الكهربائية للأسلاك. الشراع الكهربائي به 50-100 سلك مستقيم بطول حوالي 20 كم
ما هو مصنوع؟
المادة المطورة لشراع دريكسلر الشمسي عبارة عن غشاء رقيق من الألومنيوم بسماكة 0.1 ميكرومتر. كما هو متوقع ، فقد أظهر قوة وموثوقية كافيتين للاستخدام في الفضاء ، ولكن ليس للطي والإطلاق والنشر.
المادة الأكثر شيوعًا في التصميمات الحديثة هي فيلم الألمنيوم "Kapton" بحجم 2 ميكرون. يقاوم درجات الحرارة المرتفعة بالقرب من الشمس وقوي بدرجة كافية
كانت هناك بعض النظرياتتكهنات حول تطبيق تقنيات التصنيع الجزيئي لإنشاء شراع متقدم وقوي وخفيف للغاية يعتمد على شبكات نسيج الأنابيب النانوية حيث تكون "الفجوات" المنسوجة أقل من نصف الطول الموجي للضوء. تم إنشاء مثل هذه المادة في المختبر فقط ، ووسائل التصنيع على نطاق صناعي غير متوفرة بعد.
يفتح الشراع الخفيف آفاقًا كبيرة للسفر بين النجوم. بالطبع ، لا يزال هناك العديد من الأسئلة والمشكلات التي يجب مواجهتها قبل السفر عبر الكون مع تصميم مثل هذه المركبة الفضائية يصبح شيئًا شائعًا للبشرية.
