Solno jedro je način pokretanja svemirske letjelice koristeći pritisak svjetlosti i plinova velike brzine (koji se također naziva solarni svjetlosni pritisak) koje emituje zvijezda. Pogledajmo izbliza njegov uređaj.
Korišćenje jedra znači jeftino putovanje svemirom u kombinaciji sa produženim životnim vekom. Zbog nedostatka mnogih pokretnih dijelova, kao i potrebe za korištenjem pogonskog goriva, takav brod je potencijalno višekratan za isporuku tereta. Nazivi svjetlo ili fotonsko jedro također se ponekad koriste.
Koncept priča
Johannes Kepler je jednom primijetio da rep komete skreće pogled sa Sunca i sugerirao da je zvijezda ta koja proizvodi ovaj efekat. U pismu Galileju 1610. godine napisao je: „Omogućite brodu jedro prilagođeno sunčevom povjetarcu i naći će se oni koji će se usuditi istražiti ovu prazninu.“Možda se ovim riječima osvrnuo upravo na fenomen "repa komete", iako su se publikacije na ovu temu pojavile nekoliko godina kasnije.
James K. Maxwell je 60-ih godina XIX vijeka objavio teoriju elektromagnetnog polja iradijacije, u kojoj je pokazao da svjetlost ima impuls i da tako može vršiti pritisak na objekte. Maxwellove jednadžbe pružaju teorijsku osnovu za kretanje pod laganim pritiskom. Stoga je još 1864. bilo poznato unutar i izvan zajednice fizike da sunčeva svjetlost nosi impuls koji vrši pritisak na objekte.
Prvo, Pyotr Lebedev je eksperimentalno demonstrirao pritisak svjetlosti 1899. godine, a zatim su Ernest Nichols i Gordon Hull izveli sličan nezavisni eksperiment 1901. koristeći Nichols radiometar.
Albert Ajnštajn je uveo drugačiju formulaciju, prepoznajući ekvivalenciju mase i energije. Sada možemo jednostavno napisati p=E/c kao omjer između zamaha, energije i brzine svjetlosti.
Svante Arrhenius je 1908. godine predvidio mogućnost pritiska sunčevog zračenja koje prenosi žive spore na međuzvjezdane udaljenosti, i, kao rezultat, koncept panspermije. Bio je prvi naučnik koji je tvrdio da svjetlost može pomicati objekte između zvijezda.
Friedrich Zander objavio je rad koji uključuje tehničku analizu solarnog jedra. Pisao je o "korišćenju ogromnih i vrlo tankih listova ogledala" i "pritisku sunčeve svetlosti za postizanje kosmičkih brzina."
Prvi formalni projekti za razvoj ove tehnologije započeli su 1976. godine u Laboratoriji za mlazni pogon za predloženu misiju susreta s Halejevom kometom.
Kako radi solarno jedro
Svjetlo utiče na sva vozila u orbiti planete ili u njojmeđuplanetarnog prostora. Na primjer, konvencionalna svemirska letjelica za Mars bila bi udaljena više od 1.000 km od Sunca. Ovi efekti su uključeni u planiranje putanje svemirskog putovanja od prve međuplanetarne letjelice 1960-ih. Zračenje utiče i na položaj vozila, a ovaj faktor se mora uzeti u obzir pri dizajnu broda. Sila na solarno jedro je 1 njutn ili manje.
Upotreba ove tehnologije je zgodna u međuzvjezdanim orbitama, gdje se bilo koja akcija izvodi niskim tempom. Vektor sile svjetlosnog jedra orijentiran je duž sunčeve linije, što povećava energiju orbite i ugaoni moment, uzrokujući da se brod udaljava dalje od sunca. Za promjenu nagiba orbite, vektor sile je izvan ravni vektora brzine.
Kontrola pozicije
Sistem kontrole stava (ACS) svemirske letjelice je potreban da se postigne i promijeni željeni položaj dok putuje kroz Univerzum. Postavljeni položaj aparata se menja veoma sporo, često manje od jednog stepena dnevno u međuplanetarnom prostoru. Ovaj proces se odvija mnogo brže u orbitama planeta. Upravljački sistem za vozilo koje koristi solarno jedro mora zadovoljiti sve zahtjeve za orijentaciju.
Kontrola se postiže relativnim pomakom između centra pritiska posude i njegovog centra mase. To se može postići kontrolnim lopaticama, pomicanjem pojedinačnih jedara, pomicanjem kontrolne mase ili promjenom refleksijesposobnosti.
Stajući položaj zahteva da ACS održava neto obrtni moment na nuli. Moment sile jedra nije konstantan duž putanje. Mijenja se sa udaljenosti od sunca i kutom, čime se korigira osovina jedra i odbijaju neki elementi noseće konstrukcije, što rezultira promjenama sile i momenta.
Ograničenja
Solno jedro neće moći raditi na visini nižoj od 800 km od Zemlje, jer do ove udaljenosti sila otpora zraka premašuje silu laganog pritiska. Odnosno, uticaj sunčevog pritiska je slabo primetan i jednostavno neće raditi. Brzina okretanja jedrilice mora biti kompatibilna s orbitom, što je obično problem samo za konfiguracije diskova koji se okreću.
Radna temperatura ovisi o solarnoj udaljenosti, kutu, refleksivnosti i prednjim i stražnjim radijatorima. Jedro se može koristiti samo ako se temperatura održava u granicama materijala. Generalno se može koristiti prilično blizu sunca, oko 0,25 AJ, ako je brod pažljivo dizajniran za te uslove.
Konfiguracija
Eric Drexler napravio je prototip solarnog jedra od posebnog materijala. To je okvir sa panelom od tanke aluminijske folije debljine od 30 do 100 nanometara. Jedro se okreće i mora biti stalno pod pritiskom. Ova vrsta konstrukcije ima veliku površinu po jedinici mase i stogaubrzanje "pedeset puta brže" od onih zasnovanih na plastičnim folijama koje se mogu postaviti. To je četvrtasto jedro s jarbolima i dvostrukim linijama na tamnoj strani jedra. Četiri jarbola koji se ukrštaju i jedan okomit na centar za držanje žica.
Elektronski dizajn
Pekka Janhunen izumio je električno jedro. Mehanički, nema mnogo zajedničkog sa tradicionalnim dizajnom svjetla. Jedra su zamijenjena ispravljenim provodljivim kablovima (žicama) raspoređenim radijalno oko broda. Oni stvaraju električno polje. Proteže se nekoliko desetina metara u plazmu okolnog solarnog vjetra. Solarni elektroni se odbijaju od električnog polja (kao fotoni na tradicionalnom solarnom jedru). Brodom se može upravljati regulacijom električnog naboja žica. Električno jedro ima 50-100 ispravljenih žica, dužine oko 20 km.
Od čega je napravljen?
Materijal razvijen za Drexlerovo solarno jedro je tanak aluminijski film debljine 0,1 mikrometar. Kao što se i očekivalo, pokazao je dovoljnu snagu i pouzdanost za upotrebu u svemiru, ali ne i za sklapanje, lansiranje i raspoređivanje.
Najčešći materijal u modernim dizajnima je aluminijumska folija "Kapton" veličine 2 mikrona. Otporan je na visoke temperature u blizini Sunca i dovoljno je jak.
Bilo je nekih teorijskihspekulacije o primjeni tehnika molekularne proizvodnje za stvaranje naprednog, jakog, ultra-laganog jedra baziranog na mrežicama od nanocijevi u kojima su tkane "praznine" manje od polovine valne dužine svjetlosti. Takav materijal je stvoren samo u laboratoriji, a sredstva za proizvodnju u industrijskim razmjerima još nisu dostupna.
Lako jedro otvara velike izglede za međuzvjezdana putovanja. Naravno, još uvijek postoje mnoga pitanja i problemi s kojima će se morati suočiti prije nego putovanje kroz svemir s ovakvim dizajnom svemirske letjelice postane uobičajena stvar za čovječanstvo.
