HVAD ER EN ELEKTRISK SEJL? EN ANDEN EKSOTISK MåDE AT UDFORSKE SOLSYSTEMET

Send

Vi er alle fortrolige med ideen om solsejl til at udforske solsystemet ved hjælp af lystrykket fra solen. Men der er et andet fremdrivningssystem, der kan udnytte solens kraft, elektriske sejl, og det er en ret spændende idé.

For et par uger siden tog jeg fat på et spørgsmål, som nogen havde om mine foretrukne eksotiske fremdrivningssystemer, og jeg raslede af et par ideer, som jeg synes er spændende: solsejl, nukle raketter, ionmotorer osv. Men der er et andet fremdrivningssystem, der fortsætter med at komme op , og jeg glemte helt at nævne, men det er en af de bedste ideer, jeg har hørt på et stykke tid: elektriske sejl.

Som du sandsynligvis ved, fungerer et solsejl ved at udnytte lysets fotoner, der strømmer fra solen. Selvom fotoner er masseløse, har de fart, og de kan overføre det, når de spretter fra en reflekterende overflade.

Ud over lys blæser solen også en stabil strøm af ladede partikler - solvinden. Et team af ingeniører fra Finland, ledet af Dr. Pekka Janhunen, har foreslået at bygge et elektrisk sejl, der vil bruge disse partikler til at transportere rumfartøjer ud i solsystemet.

For at forstå, hvordan dette fungerer, bliver jeg nødt til at sætte et par koncepter ind i din hjerne.

Først solen. Den dødbringende kugle af stråling på himlen. Som du sandsynligvis ved, er der en stabil strøm af ladede partikler, hovedsageligt elektroner og protoner, der glider væk fra solen i alle retninger.

Astronomer er ikke helt sikre på, men nogle mekanismer i solens korona, dens øvre atmosfære, fremskynder disse partikler med en flugthastighed. Deres hastighed varierer fra 250 til 750 km / s.

Solvinden bevæger sig væk fra solen og ud i rummet. Vi ser dens virkninger på kometer, hvilket giver dem deres karakteristiske haler, og det danner en boble omkring solsystemet kendt som heliosfæren. Det er her solvinden fra solen møder den kollektive solvind fra de andre stjerner på Mælkevejen.

Faktisk passerede NASAs Voyager-rumfartøj for nylig gennem denne region og endelig gik deres vej til interstellar rum.

Solvinden forårsager et direkte tryk, ligesom en faktisk vind, men det er utroligt svagt, en brøkdel af det let tryk, som et solsejl oplever.

Men solvinden indeholder en strøm af positivt ladede protoner og elektroner, og dette er nøglen.

Et elektrisk sejl fungerer ved at trille en utrolig tynd ledning ud, kun 25 mikron tyk, men 20 kilometer lang. Rumfartøjet er udstyret med solcellepaneler og en elektronpistol, der tager kun et par hundrede watt at køre.

Ved at skyde elektroner ud i rummet opretholder rumfartøjet en meget positiv ladet tilstand. Da protonerne fra Solen også er positivt ladede, når de støder på det positivt ladede bindemiddel, "ser" de det en enorm hindring 100 meter over og styrter ned i den.

Ved at overføre deres fremdrift i bunden og rumfartøjet accelererer ioner det væk fra solen.

Mængden af acceleration er meget svag, men det er konstant pres fra solen og kan tilføjes over en lang periode. Hvis et rumfartøj på 1000 kg for eksempel havde 100 af disse ledninger, der strækker sig ud i alle retninger, kunne det modtage en acceleration på 1 mm pr. Sekund pr. Sekund.

I det første sekund kører det 1 mm og derefter 2 mm i det næste sekund osv. I løbet af et år kunne dette rumfartøj gå 30 km / s. Til sammenligning er det hurtigste rumfartøj derude, NASAs Voyager 1, kun omkring 17 km / s. Så meget hurtigere, bestemt med en flugthastighed fra solsystemet.

En af metoderne, faktisk, er, at den ikke fungerer inden for jordens magnetosfære. Så et elektrisk sejldrevet rumfartøj ville skulle transporteres af en traditionel raket væk fra Jorden, før det kunne løsne sit sejl og gå ud i det dybe rum.

Jeg er sikker på, at du spekulerer på, om dette er en envejs tur til at komme væk fra solen, men det er det faktisk ikke. Ligesom med solsejl kan et elektrisk sejl drejes. Afhængigt af hvilken side af sejlet solvinden rammer, hæver eller sænker den enten rumfartøjets bane fra solen.

Stik sejlet på den ene side, og du løfter dets bane for at rejse til det ydre solsystem. Men du kan også slå den anden side og sænke dens bane, så den kan rejse ned i det indre solsystem. Det er et utrolig alsidigt fremdrivningssystem, og solen gør alt det arbejde.

Selvom dette lyder som science fiction, er der faktisk nogle test i værkerne. En estisk prototype-satellit blev lanceret tilbage i 2013, men dens motor lykkedes ikke at trille bunden ud. Den finske Aalto-1-satellit blev lanceret i juni 2017, og en af dens eksperimenter er at teste et elektrisk sejl.

Vi skulle finde ud af, om teknikken er levedygtig senere på året.

Det er ikke kun finnerne, der overvejer dette fremdrivningssystem. I 2015 meddelte NASA, at de havde tildelt et Phase II Innovative Advanced Concepts-stipendium til Dr. Pekka Janhunen og hans team for at undersøge, hvordan denne teknologi kunne bruges til at nå det ydre solsystem på kortere tid end andre metoder.

Heliopause elektrostatiske hurtigtransportsystem eller HERTS-rumfartøj ville strække 20 af disse elektriske tethere udad fra midten og danne et enormt cirkulært elektrisk sejl for at fange solvinden. Ved langsomt at dreje rumfartøjet vil centrifugalkræfterne strække tethers ud i denne cirkulære form.

Med sin positive ladning fungerer hver bundning som en enorm barriere mod solvinden, hvilket giver rumfartøjet et effektivt overfladeareal på 600 kvadratkilometer, når det først er udsat fra Jorden. Efterhånden som det kommer længere fra Jorden, øges dets effektive område til svarende til 1.200 kvadratkilometer, når det når Jupiter.

Når et solsejl begynder at miste strøm, fortsætter et elektrisk sejl bare med at accelerere. Faktisk ville det fortsætte med at accelerere forbi Uranus bane.

Hvis teknologien fungerer, kunne HERTS-missionen nå heliopausen på kun 10 år. Det tog Voyager 1 35 år at nå denne afstand, 121 astronomiske enheder fra solen.

Men hvad med styring? Ved at ændre spændingen på hver ledning, når rumfartøjet roterer, kan du få hele sejlet til at interagere forskelligt på den ene eller den anden side til solvinden. Du kan styre hele rumfartøjet som sejlene på en båd.

I september 2017 annoncerede et team af forskere med det finske meteorologiske institut en temmelig radikal idé til, hvordan de muligvis kunne bruge elektriske sejl til at udforske asteroidebæltet.

I stedet for et enkelt rumfartøj foreslog de at bygge en flåde på 50 separate 5 kg satellitter. Hver af dem ville trille sin egen 20 km-lange tether ud og fange Solens solvind. I løbet af en 3-årig mission skulle rumfartøjet rejse ud til asteroidebæltet og besøge flere forskellige rumsten. Den fulde flåde ville sandsynligvis være i stand til at udforske 300 separate objekter.

Hvert rumfartøj ville være udstyret med et lille teleskop med kun en 40 mm blænde. Det handler om størrelsen på et pletområde eller et halvt kikkert, men det ville være nok til at løse funktioner på overfladen af en asteroide så lille som 100 meter over. De havde også et infrarødt spektrometer til at kunne bestemme, hvilke mineraler hver asteroide er lavet af.

Det er en fantastisk måde at finde den 10 billioner asteroide lavet af solidt platin på.

Fordi rumfartøjet ville være for lille til at kommunikere helt tilbage til Jorden, er de nødt til at gemme dataene om bord og derefter overføre alt, når de kom forbi vores planet 3 år senere.

De planetariske videnskabsmænd, jeg har talt med, elsker ideen om at være i stand til at undersøge disse mange forskellige objekter på samme tid, og den elektriske sejlidee er en af de mest effektive metoder til at gøre det.

Ifølge forskerne kunne de udføre en mission for omkring 70 millioner dollars og bringe omkostningerne til at analysere hver asteroide ned til omkring $ 240.000. Det ville være billigt sammenlignet med enhver anden metode, der er foreslået til undersøgelse af asteroider.

Rumforskning bruger traditionelle kemiske raketter, fordi de er kendte og pålidelige. Selvfølgelig har de deres mangler, men de har taget os hen over solsystemet til milliarder af kilometer væk fra Jorden.

Men der er andre former for fremdrift i værkerne, som det elektriske sejl. Og i de kommende årtier vil vi se flere og flere af disse ideer sættes på prøve. Et brændstoffrit fremdrivningssystem, der kan transportere et rumfartøj ind i det ydre rækkevidde af solsystemet? Ja tak.