恒星間飛行に適していると思われるエアブラシ付きソーラーセイル

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Anonim
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静止軌道から発射されたときのエアブラシ付きソーラーセイルを備えた車両の軌道の概略図

物理学者は、宇宙船の特性と能力を理論的に分析しました。宇宙船の動きは、エアブラシをかけたソーラーセイルによって提供されます。そのような装置は、太陽系内での飛行と追加の推力なしでの恒星間航行の両方が可能であるだけでなく、メートルサイズと約グラムの自己質量で、数十倍の質量の負荷を運ぶことがわかった。それにもかかわらず、実際には、そのような大きなエアブラシ構造を作成することはまだ可能ではありません。この記事は、ジャーナルAstronomy&Astrophysicsに掲載されました。

ソーラーセイルは、電磁放射(通常は太陽またはレーザーから)の圧力によって宇宙船を推進する装置です。放射線が帆の表面に当たると、個々の光子がその運動量を帆に伝達し、したがって帆を光源から遠ざけます。帆の面積が十分に大きく(より多くの光子を捕捉するため)、質量が十分に小さい場合(特定の運動量の増分で速度が大幅に増加する場合)、デバイスは追加の推力がなくても宇宙船を動かすことができます(デバイスとそのようなデバイスの作成の歴史についての詳細は、「フルセイル」の資料に記載されています。

ソーラーセイルの主な制限の1つは、星から遠く離れた場所での太陽光の圧力が弱いことです。この値は、距離の2乗に反比例して減少します。水星の軌道の近くにある場合、圧力は約60マイクロパスカルです(つまり、6000万分の1ニュートンの力が帆の各平方メートルに作用します)。地球の領域は9マイクロパスカルに減少し、太陽系の境界では、さらに数百億分の1になります。その結果、ソーラーセイルを利用した長距離(太陽までの距離)の飛行が困難になります。飛行の初期段階で装置を加速する時間がある必要がありますが、比較的星の近くにあるか、太陽放射に取って代わるレーザー設備を使用するか、追加の牽引源に頼る-これらすべてが何らかの形で技術的な問題を引き起こします。

マックスプランクソーラーシステム研究所のルネヘラーが率いるドイツ、スペイン、米国、フランスの物理学者は、ソーラーセイルに基づくコンパクトな宇宙船としての外観をレビューし、提案されたミッションの枠組みの中でその能力を理論的に評価しました。

科学者たちは、適応のための材料として、エアブラシを使用することを提案しました。エアブラシは、管状の炭素繊維でできた合成物質で、密度が記録的な低さです。1立方メートルあたり0.18キログラムで、水より5.5千倍軽いです。効果的な飛行と装置の小さな質量に十分な太陽が照射される表面の領域を同時に達成するために、著者は帆に中空の球形を選択しました。研究者によると、圧縮後にエアブラシがその形状を取り戻す能力のおかげで、実際には、帆は折りたたまれたり広げられたりしたときに便利に宇宙に運ばれる可能性があります。

太陽系内を移動してそれを超えるデバイスの能力を評価するために、科学者は、太陽放射と重力引力の影響下で、まず第一に、星自体への、そして開始点が軌道は私たちの惑星の近くにありました-地球にも。

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質量と断面積の比率が異なるISS軌道から発射されたエアブラシ付きソーラーセイルを備えた宇宙船の軌道。緑の軌道-開いている、黒-閉じている(デバイスが地球に衝突する)

さらに、物理学者は、追加の負荷、たとえば地球との通信用のコンパクトなレーザーを使用したときの帆の挙動を調査しました。著者らは、単位で数十グラムのペイロード質量の範囲に注意を向けました。そのため、車両の総質量は、重力が光圧を圧倒する上限しきい値を超えず、負荷質量は下限を超えませんでした。最新の電子機器に典型的な制限。

その結果、研究者たちは、球殻の厚さが1ミリメートル未満の場合、帆は基本的に太陽系内を飛行し、太陽放射によってのみ星間空間に出て行くことができることを発見しました(惑星間物質で発射された場合)。厚さが0.5ミリメートルの場合、地球の軌道から火星の軌道までの移動には約60日かかり、プルートの軌道までは約4。3年かかります。厚さは約マイクロメートルで、天文単位から0.04天文単位の距離で打ち上げられます。太陽(まさに太陽探査機「パーカー」がそのような距離で星に近づくことが計画されています)帆は185年で太陽に最も近い星であるプロキシマケンタウリに到達することができます。

厚さが100マイクロメートル、半径が1〜5メートルのデバイスでは、最大5、7〜55グラム、自重0、23〜2、2の負荷を星間物質に輸送することもできます。グラム-つまり、積荷の重量は帆の質量の数十倍になる可能性がありますが、化学燃料の星間車両の場合、通常のペイロードは総質量の1000分の1です。これらの特性を考えると、エアブラシをかけたソーラーセイルは、私たちの星系内の将来の飛行、特にその境界とそのすぐ近くを研究するための、たとえば9番目の惑星を探すための有望なデバイスと見なすことができます。

同時に、物理学者は、実際には、十分に大きなエアブラシ構造がまだ製造されていないことに注意しています-現代の研究の著者は、主に数センチメートルのサイズに制限されていました。それにもかかわらず、原則として、メートル長のエアブラシの帆の作成は可能であるように思われます。さらに、科学者たちは、実際の飛行のために、大きなマルチメートルの帆をいくつかの1メートルの帆のセットに置き換えることを提案しています。これにより(有効面積が減少することにより)太陽放射の全体的な圧力が低下するという事実にもかかわらず、帆の作成、宇宙への配送、展開を簡素化し、デバイスの信頼性を高めることができます。セットの1つの球が損傷し、残りは装置を動かし続けます。

ソーラーセイルを備えた装置の軌道を操作および調整する問題も未解決のままです。球体自体の飛行は制御できず、ルートを変更するために追加のデバイスを使用する必要があります。

最近、ソーラーセイルは理論上だけでなく実際にもその有効性を示しています。 5月には、グラフェンソーラーセイルがレーザーでどのように離陸したかについて話し、昨年は、そのようなデバイスがライトセイル2宇宙船の軌道高度を上げるのにどのように役立ったかについて話しました。

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