انسي أمر الرحلات بين النجوم. يمكن استخدام أشرعة خفيفة صغيرة لاستكشاف النظام الشمسي اليوم

حظيت الأشرعة الشمسية بالكثير من الاهتمام مؤخرًا. يرجع ذلك جزئيًا إلى سلسلة من المهام البارزة التي أثبتت هذا المفهوم بنجاح. ويرجع ذلك جزئيًا إلى المكانة المرموقة اختراق Starshot المشروع ، الذي يصمم مهمة تعمل بالطاقة الشمسية للإبحار للوصول إليها ألفا قنطورس . لكن نظام الدفع الثالث متعدد الاستخدامات هذا ليس مفيدًا فقط للمغامرات البعيدة - فهو يتمتع بمزايا أقرب إلى المنزل أيضًا. ورقة جديدة من قبل المهندسين في جامعة كاليفورنيا يحدد ما هي هذه المزايا ، وكيف يمكننا الاستفادة منها على أفضل وجه.

القوة الدافعة الحقيقية وراء بعض مشاريع الشراع الشمسي هي الليزر. هذه الحزم المركزة من الضوء مثالية لتوفير قوة دفع ضد الشراع الشمسي. ومع ذلك ، فهي مفيدة أيضًا كأسلحة إذا تم توسيع نطاقها كثيرًا ، مما يؤدي إلى تبخير أي شيء في طريقها. على هذا النحو ، فإن أحد قيود التصميم الرئيسية لأنظمة الشراع الشمسي هو حول المواد التي يمكنها تحمل انفجار ليزر عالي الطاقة ، ومع ذلك لا تزال خفيفة بدرجة كافية بحيث لا تثقل كاهل المركبة المرتبطة بها بوزن إضافي.

فيديو يوتا يناقش ماهية الشراع الشمسي.

بالنسبة للبعثات التي يتخيلها طالب الدراسات العليا هو-تينج تونج والدكتور أرتور دافويان من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، أن الوزن ضئيل للغاية. ويتوقعون أن تزن أي مركبة فضاء إبحار أقل من 100 جرام. سيشمل 100 جرام مصفوفة شراعية تصل مساحتها إلى 10 سم مربع.

مع هذه الكتل الصغيرة والمساحة الكبيرة تأتي الفائدة الهائلة للإبحار الشمسي - السرعة القصوى التي يمكن تحقيقها بواسطة تقنية الدفع هذه هي أسرع من التقنيتين الأكثر تقليدية - الدفع الكيميائي والكهربائي. ركزت الدراسة على نوعين من المناورات المدارية التي يتم إجراؤها عادة بواسطة أنظمة الدفع الأخرى - أحدهما حيث يتحرك الشراع في مدار الأرض ، والآخر حيث ينتقل بين الكواكب.

رسم تخطيطي يوضح كيفية استخدام تسريع الليزر للوصول إلى النظام الشمسي الخارجي بسرعة أكبر بكثير من الطرق التقليدية.
الائتمان - تونغ ودافويان

يبحث النظام الأول في المدة التي سيستغرقها التنقل عبر مختلف مراحل الهروب من الأرض. كما تم قياسه بواسطة '؟ v' (أي التسارع) ، فإن الزيادة المطردة في التسارع الذي يوفره الليزر على الشراع الشمسي ستسمح لمركبة فضائية صغيرة بالانتقال من مدار أرضي منخفض إلى مدار مستقر بالنسبة إلى الأرض في أقل من بضع دقائق ، ثم الهروب السرعة بعد ذلك بوقت قصير.

كما أن لديها ميزة كونها قادرة على التسارع بشكل أسرع من أسرع تسارع على الإطلاق بواسطة مركبة فضائية - وهو رقم قياسي يحتفظ به حاليًا فجر خلال محاولتها الوصول إلى النظام الشمسي الخارجي. سيصل هذا الشراع الشمسي الجديد إلى تسارعات في حوالي نصف ساعة من زمن الليزر ، وهو ما استغرقته Dawn 5 سنوات ونصف للوصول باستخدام الدافع الكهربائي.

فيديو يوتا يناقش بعض احتمالات الإبحار الشمسي.

مثل هذا التسارع الخطي سيقلل بشكل كبير من أوقات السفر بين الكواكب أيضًا - مثل هذا الشراع الشمسي يمكن أن يصل إلى المريخ في 20 يومًا (مقارنة بـ 200 يومًا بشكل طبيعي) ، والمشتري في 120 يومًا (5 سنوات لجونو) ، وبلوتو في حوالي 3 سنوات (10) السنوات الماضية التي زرنا فيها مع New Horizons). يعني انخفاض أوقات الرحلات مزيدًا من الفرص العلمية ، ولكن فقط إذا كانت الأدوات الموجودة على متن السفينة يمكن أن تتناسب مع الحزمة الصغيرة نسبيًا وخفيفة الوزن التي يمكن أن يدعمها الشراع.

ومع ذلك ، فإن الأدوات نفسها ليست الجزء الوحيد المهم من تلك الحزمة. يمكن القول إن الأهم هو تصميم الشراع نفسه. تشغل قيود التصميم الرئيسية الكثير من تحليل الورقة. يجب أن يكون خفيفًا وقويًا / مرنًا ، وعاكسًا لليزر (بحيث يدفعه الليزر بدلاً من امتصاصه) ويكون قادرًا على تحمل درجات الحرارة المرتفعة.

يوضح الشكل من الورقة الاختلافات في أوقات التسارع والمسارات المحتملة التي يمكن أن يتخذها الشراع الشمسي.
الائتمان - تونغ ودافويان

تم إقران الشرطين الأخيرين معًا ، وكانا حقًا محور الورقة ، حيث أن الانعكاسية العالية تعني الحاجة الأقل لتحمل درجات الحرارة المرتفعة. بعد اختيار ليزر يعمل بشكل جيد في الغلاف الجوي ، توصل الفريق إلى نوعين من المواد التي يمكن أن تؤدي الغرض من أجل الشراع - نيتريد السيليكون و نيتريد البورون . في كلتا هاتين المادتين ، تجعل الانعكاسية العالية للغاية جنبًا إلى جنب مع الانبعاث الحراري (مدى جودة تبديد الحرارة) مرشحين مثاليين لملء الشرطين الأخيرين.

لتحقيق أقصى استفادة من أداء المواد ، يجب أن يتم تشكيلها بطريقة تستفيد من خصائص المواد الخاصة بها. كان هناك نوعان من الهياكل التي تم تحليلها في الورقة - 'Bragg stack' وعاكس الصدى الموجّه (GMR). أ براغ كومة هو نوع من العاكس مع أكوام متعددة من المواد التي تشكل عاكسًا عالي الجودة خاص بطول الموجة. أ عاكس GMR ، من ناحية أخرى ، يستخدم نوعًا من المحزوز أو المنشور للتحكم في الأطوال الموجية التي يصبح الهيكل انعكاسًا فيها. في كلتا الحالتين ، تم تصميم الهيكل بحيث لا ينعكس الضوء ليس عند الطول الموجي المحدد لليزر ، مما يتسبب في الحد الأدنى من الزيادة التسخين لمجموعة اللوحة.

رسم توضيحي لكيفية عمل شراع خفيف ، مع عرض هيكل المواد المحدد في الأسفل.
الائتمان - تونغ ودافويان

في النهاية ، الورقة نفسها ليست سوى محاولة لاقتراح تصميم لمفهوم مهمة في المستقبل. لا يوجد أي شيء ملموس مخطط لاعتماد أي من اقتراحاتها. لكنها خطوة نحو النظر إلى تقنية الدفع المتغيرة التي يحتمل أن تكون اللعبة والتي بدأت الآن فقط في الانطلاق. إذا استفدنا من ذلك بشكل صحيح ، يمكن أن يكون للإبحار الشمسي تأثير أساسي على كل من علم واقتصاد استكشاف الفضاء.

يتعلم أكثر:
arXiv - تصميم ضوئي ضوئي للشراع الخفيف للمناورة المدارية الأرضية سريعة العبور والطيران بين الكواكب
يوتا - يمكن لقمر صناعي صغير بشراع شمسي اللحاق بجسم ما بين النجوم
يوتا - هل تريد أسرع شراع شمسي؟ أسقطه في الشمس أولاً
يوتا - تختبر ناسا مواد مركبة جديدة لبناء دعامات شراعية خفيفة الوزن تعمل بالطاقة الشمسية

الصورة الرئيسية:
مفهوم الفنان للشراع الشمسي
الائتمان - اختراق Starshot