Слънчевото платно е начин за задвижване на космически кораб, използвайки налягането на светлината и високоскоростните газове (наричани още слънчево светлинно налягане), излъчвани от звезда. Нека разгледаме по-отблизо устройството му.
Използването на платно означава евтино пътуване в космоса, съчетано с удължен живот. Поради липсата на много движещи се части, както и необходимостта от използване на гориво, такъв кораб е потенциално повторно използван за доставка на полезни товари. Понякога се използват и имената светлинно или фотонно платно.
Концептуална история
Йоханес Кеплер веднъж забеляза, че опашката на кометата гледа встрани от Слънцето, и предположи, че звездата е тази, която произвежда този ефект. В писмо до Галилей през 1610 г. той пише: „Осигурете на кораба платно, приспособено към слънчевия бриз, и ще има такива, които се осмеляват да изследват тази празнота“. Може би с тези думи той се позовава именно на феномена "опашката на комета", въпреки че публикации по тази тема се появиха няколко години по-късно.
Джеймс К. Максуел през 60-те години на XIX век публикува теорията за електромагнитното поле ирадиация, в която той показа, че светлината има инерция и по този начин може да упражнява натиск върху обекти. Уравненията на Максуел осигуряват теоретичната основа за придвижване с леко налягане. Ето защо, още през 1864 г., във и извън общността на физиката беше известно, че слънчевата светлина носи импулс, който упражнява натиск върху обекти.
Първо, Пьотър Лебедев демонстрира експериментално налягането на светлината през 1899 г., а след това Ърнест Никълс и Гордън Хъл проведоха подобен независим експеримент през 1901 г. с помощта на радиометъра на Никълс.
Алберт Айнщайн въведе различна формулировка, признавайки еквивалентността на масата и енергията. Сега можем просто да напишем p=E/c като съотношението между импулс, енергия и скорост на светлината.
Svante Arrhenius предсказва през 1908 г. възможността за натиск от слънчева радиация, пренасяща живи спори на междузвездни разстояния, и в резултат на това концепцията за панспермия. Той беше първият учен, който твърди, че светлината може да движи обекти между звездите.
Friedrich Zander публикува документ, включващ технически анализ на слънчевото платно. Той пише за „използването на огромни и много тънки листове огледала“и „натиска на слънчевата светлина за постигане на космически скорости“.
Първите официални проекти за разработване на тази технология започват през 1976 г. в Лабораторията за реактивно движение за предложена мисия за среща с Халеевата комета.
Как работи слънчево платно
Светлината засяга всички превозни средства в орбитата на планетата или в неямеждупланетно пространство. Например, конвенционален космически кораб, насочен към Марс, би бил на повече от 1000 км от Слънцето. Тези ефекти са включени в планирането на траекторията на космическото пътуване още от първия междупланетен космически кораб през 60-те години на миналия век. Радиацията също оказва влияние върху позицията на превозното средство и този фактор трябва да се вземе предвид при проектирането на кораба. Силата върху слънчевото платно е 1 нютон или по-малко.
Използването на тази технология е удобно в междузвездни орбити, където всяко действие се извършва с ниско темпо. Векторът на силата на светлото платно е ориентиран по слънчевата линия, което увеличава енергията на орбитата и ъгловия импулс, карайки кораба да се отдалечава по-далеч от слънцето. За да промените наклона на орбитата, векторът на силата е извън равнината на вектора на скоростта.
Контрол на позиция
Системата за контрол на отношението (ACS) на космическия кораб е необходима, за да достигне и промени желаната позиция, докато пътува из Вселената. Зададеното положение на апарата се променя много бавно, често по-малко от един градус на ден в междупланетното пространство. Този процес протича много по-бързо в орбитите на планетите. Системата за управление на превозно средство, използващо слънчево платно, трябва да отговаря на всички изисквания за ориентация.
Контролът се постига чрез относително изместване между центъра на налягането на съда и неговия център на маса. Това може да се постигне с контролни лопатки, преместване на отделни платна, преместване на контролна маса или смяна на отражателяспособности.
Позицията изправена изисква ACS да поддържа нетния въртящ момент на нула. Моментът на сила на платното не е постоянен по траекторията. Променя с разстояние от слънцето и ъгъл, което коригира вала на платното и отклонява някои елементи от носещата конструкция, което води до промени в силата и въртящия момент.
Ограничения
Слънчевото платно няма да може да работи на височина, по-ниска от 800 км от Земята, тъй като до това разстояние силата на съпротивлението на въздуха надвишава силата на лекото налягане. Тоест влиянието на слънчевото налягане е слабо забележимо и просто няма да работи. Скоростта на завъртане на ветроходния кораб трябва да е съвместима с орбитата, което обикновено е проблем само за конфигурациите на въртящи се дискове.
Работната температура зависи от слънчевото разстояние, ъгъла, отразяващата способност и предните и задните радиатори. Платното може да се използва само когато температурата се поддържа в границите на материала. Обикновено може да се използва доста близо до слънцето, около 0,25 AU, ако корабът е внимателно проектиран за тези условия.
Конфигурация
Ерик Дрекслер направи прототип слънчево платно от специален материал. Това е рамка с панел от тънък алуминиев филм с дебелина от 30 до 100 нанометра. Платното се върти и трябва да бъде постоянно под налягане. Този тип структура има висока площ на единица маса и следователноускорение "петдесет пъти по-бързо" от тези, базирани на разгъваеми пластмасови филми. Това е квадратно платно с мачти и двойни линии на тъмната страна на платното. Четири пресичащи се мачти и една перпендикулярна на центъра за задържане на проводниците.
Електронен дизайн
Пекка Янхунен изобрети електрическото платно. Механично той има малко общо с традиционния светлинен дизайн. Платната се заменят с изправени проводими кабели (проводници), разположени радиално около кораба. Те създават електрическо поле. Той се простира на няколко десетки метра в плазмата на околния слънчев вятър. Слънчевите електрони се отразяват от електрическото поле (като фотони на традиционно слънчево платно). Корабът може да се управлява чрез регулиране на електрическия заряд на проводниците. Електрическото платно има 50-100 изправени жици, дълги около 20 км.
От какво е направено?
Материалът, разработен за слънчевото платно на Drexler, е тънък алуминиев филм с дебелина 0,1 микрометър. Както се очакваше, той демонстрира достатъчна здравина и надеждност за използване в космоса, но не и за сгъване, изстрелване и разгръщане.
Най-често срещаният материал в съвременните дизайни е алуминиевото фолио "Каптон" с размер 2 микрона. Издържа на високи температури близо до слънцето и е достатъчно здрав.
Имаше някои теоретичниспекулации относно прилагането на техники за молекулярно производство за създаване на усъвършенствано, силно, ултралеко платно, базирано на решетки от нанотръбни тъкани, където тъканите „пролуки“са по-малко от половината от дължината на вълната на светлината. Такъв материал е създаден само в лабораторията, а средствата за производство в индустриален мащаб все още не са налични.
Лекото платно отваря големи перспективи за междузвездно пътуване. Разбира се, все още има много въпроси и проблеми, които ще трябва да бъдат изправени, преди пътуването из Вселената с такъв дизайн на космически кораб да стане нещо обичайно за човечеството.
