Ang solar sail ay isang paraan upang itulak ang isang spacecraft gamit ang presyon ng liwanag at mga high-velocity na gas (tinatawag ding solar light pressure) na ibinubuga ng isang bituin. Tingnan natin ang device nito.
Ang paggamit ng layag ay nangangahulugan ng murang paglalakbay sa kalawakan na sinamahan ng pinahabang buhay. Dahil sa kakulangan ng maraming gumagalaw na bahagi, pati na rin ang pangangailangang gumamit ng propellant, ang naturang barko ay posibleng magamit muli para sa paghahatid ng mga kargamento. Ginagamit din minsan ang mga pangalang light o photon sail.
Kuwento ng konsepto
Johannes Kepler minsan ay napansin na ang buntot ng isang kometa ay tumitingin sa Araw, at iminungkahi na ang bituin ang gumagawa ng epektong ito. Sa isang liham kay Galileo noong 1610, isinulat niya: "Bigyan ang barko ng layag na inangkop sa solar breeze, at may mga maglalakas-loob na galugarin ang walang laman na ito." Marahil, sa mga salitang ito, tiyak na tinukoy niya ang kababalaghan ng "comet tail", kahit na ang mga publikasyon sa paksang ito ay lumitaw ilang taon mamaya.
James K. Maxwell noong 60s ng XIX na siglo ay naglathala ng teorya ng electromagnetic field atradiation, kung saan ipinakita niya na ang liwanag ay may momentum at sa gayon ay maaaring magbigay ng presyon sa mga bagay. Ang mga equation ni Maxwell ay nagbibigay ng theoretical na batayan para sa light pressure locomotion. Samakatuwid, noong unang bahagi ng 1864, nalaman na sa loob at labas ng komunidad ng pisika na ang sikat ng araw ay nagdadala ng isang impulse na nagbibigay ng presyon sa mga bagay.
Una, ipinakita ni Pyotr Lebedev sa eksperimento ang presyon ng liwanag noong 1899, at pagkatapos ay nagsagawa sina Ernest Nichols at Gordon Hull ng katulad na independiyenteng eksperimento noong 1901 gamit ang Nichols radiometer.
Si Albert Einstein ay nagpakilala ng ibang formulation, na kinikilala ang equivalence ng masa at enerhiya. Ngayon ay maaari na nating isulat ang p=E/c bilang ratio sa pagitan ng momentum, enerhiya at bilis ng liwanag.
Svante Arrhenius ay hinulaang noong 1908 ang posibilidad ng pressure mula sa solar radiation na nagdadala ng mga buhay na spore sa mga interstellar na distansya, at, bilang resulta, ang konsepto ng panspermia. Siya ang unang siyentipiko na nagsabing ang liwanag ay maaaring maglipat ng mga bagay sa pagitan ng mga bituin.
Friedrich Zander ay nag-publish ng isang papel kasama ang isang teknikal na pagsusuri ng solar sail. Sumulat siya tungkol sa "paggamit ng malaki at napakanipis na mga salamin" at "ang presyon ng sikat ng araw upang makamit ang bilis ng kosmiko."
Ang mga unang pormal na proyekto na bumuo ng teknolohiyang ito ay nagsimula noong 1976 sa Jet Propulsion Laboratory para sa isang iminungkahing pagpupulong misyon sa Halley's Comet.
Paano gumagana ang solar sail
Naaapektuhan ng liwanag ang lahat ng sasakyan sa orbit ng planeta o sa loobinterplanetary space. Halimbawa, ang isang maginoo na spacecraft na patungo sa Mars ay higit sa 1,000 km ang layo mula sa Araw. Ang mga epektong ito ay isinaalang-alang sa pagpaplano ng trajectory ng paglalakbay sa kalawakan mula noong pinakaunang interplanetary spacecraft noong 1960s. Naaapektuhan din ng radyasyon ang posisyon ng sasakyan, at ang salik na ito ay dapat isaalang-alang sa disenyo ng barko. Ang puwersa sa solar sail ay 1 newton o mas kaunti.
Ang paggamit ng teknolohiyang ito ay maginhawa sa mga interstellar orbit, kung saan ang anumang aksyon ay isinasagawa sa mababang bilis. Ang light sail's force vector ay naka-orient sa linya ng araw, na nagpapataas ng enerhiya ng orbit at angular momentum, na nagiging sanhi ng paglayo ng barko sa araw. Upang baguhin ang inclination ng orbit, ang force vector ay nasa labas ng plane ng velocity vector.
Position control
Ang Attitude Control System (ACS) ng spacecraft ay kailangan para maabot at mabago ang gustong posisyon habang naglalakbay sa Uniberso. Ang nakatakdang posisyon ng apparatus ay nagbabago nang napakabagal, kadalasang mas mababa sa isang degree bawat araw sa interplanetary space. Ang prosesong ito ay nangyayari nang mas mabilis sa mga orbit ng mga planeta. Dapat matugunan ng control system para sa isang sasakyang gumagamit ng solar sail ang lahat ng kinakailangan sa oryentasyon.
Nakamit ang kontrol sa pamamagitan ng relatibong pagbabago sa pagitan ng sentro ng presyon ng sisidlan at ng sentro ng masa nito. Ito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng control vanes, paglipat ng mga indibidwal na layag, paglipat ng isang control mass, o pagpapalit ng reflectivekakayahan.
Nakatayong posisyon ay nangangailangan ng ACS na mapanatili ang netong torque sa zero. Ang sandali ng puwersa ng layag ay hindi pare-pareho sa tilapon. Mga pagbabago na may distansya mula sa araw at anggulo, na nagtutuwid sa baras ng layag at nagpapalihis sa ilang elemento ng sumusuportang istraktura, na nagreresulta sa mga pagbabago sa puwersa at torque.
Mga Paghihigpit
Ang solar sail ay hindi gagana sa isang altitude na mas mababa sa 800 km mula sa Earth, dahil hanggang sa distansyang ito ang air resistance force ay lumampas sa light pressure force. Iyon ay, ang impluwensya ng solar pressure ay mahinang napapansin, at hindi ito gagana. Ang bilis ng pagliko ng sailing vessel ay dapat na tugma sa orbit, na kadalasan ay problema lamang para sa pag-ikot ng mga configuration ng disk.
Ang temperatura ng pagpapatakbo ay nakadepende sa solar distance, anggulo, reflectivity, at front at rear radiators. Magagamit lamang ang layag kung saan ang temperatura ay pinananatili sa loob ng mga limitasyon ng materyal nito. Ito ay karaniwang magagamit nang medyo malapit sa araw, sa paligid ng 0.25 AU, kung ang barko ay maingat na idinisenyo para sa mga kundisyong iyon.
Configuration
Si Eric Drexler ay gumawa ng prototype na solar sail mula sa isang espesyal na materyal. Ito ay isang frame na may panel ng manipis na aluminum film na may kapal na 30 hanggang 100 nanometer. Ang layag ay umiikot at dapat palaging nasa ilalim ng presyon. Ang ganitong uri ng istraktura ay may mataas na lugar sa bawat yunit ng masa at samakatuwidacceleration "limampung beses na mas mabilis" kaysa sa mga batay sa deployable plastic films. Ito ay isang parisukat na layag na may mga palo at kambal na linya sa madilim na bahagi ng layag. Apat na intersecting na palo at isang patayo sa gitna para hawakan ang mga wire.
Electronic na disenyo
Pekka Janhunen ang nag-imbento ng electric sail. Sa mekanikal, kaunti lang ang pagkakatulad nito sa tradisyonal na disenyo ng liwanag. Ang mga layag ay pinapalitan ng mga nakatuwid na conductive cable (mga wire) na nakaayos nang radially sa paligid ng barko. Lumilikha sila ng isang electric field. Ito ay umaabot ng ilang sampu-sampung metro sa plasma ng nakapalibot na solar wind. Ang mga solar electron ay sinasalamin ng electric field (tulad ng mga photon sa isang tradisyonal na solar sail). Maaaring pangunahan ang barko sa pamamagitan ng pag-regulate ng electric charge ng mga wire. Ang electric sail ay may 50-100 straightened wires, mga 20 km ang haba.
Ano ang gawa nito?
Ang materyal na ginawa para sa solar sail ng Drexler ay isang manipis na aluminum film na 0.1 micrometer ang kapal. Gaya ng inaasahan, nagpakita ito ng sapat na lakas at pagiging maaasahan para sa paggamit sa kalawakan, ngunit hindi para sa pagtiklop, paglulunsad at pag-deploy.
Ang pinakakaraniwang materyal sa modernong disenyo ay ang aluminum film na "Kapton" na 2 microns ang laki. Lumalaban ito sa mataas na temperatura malapit sa Araw at sapat na malakas.
May ilang teoretikalhaka-haka tungkol sa paglalapat ng mga molecular manufacturing techniques upang lumikha ng advanced, strong, ultra-light sail batay sa nanotube fabric grids kung saan ang habi na "gaps" ay mas mababa sa kalahati ng wavelength ng liwanag. Ang nasabing materyal ay nilikha lamang sa laboratoryo, at ang mga paraan para sa pagmamanupaktura sa isang pang-industriyang sukat ay hindi pa magagamit.
Ang light sail ay nagbubukas ng magagandang prospect para sa interstellar travel. Siyempre, marami pa ring tanong at problema ang kailangang harapin bago ang paglalakbay sa uniberso na may ganoong disenyo ng spacecraft ay naging pangkaraniwang bagay para sa sangkatauhan.
