V prihodnjih desetletjih namerava več vesoljskih agencij vrniti astronavte na Luno (ali jih tja prvič poslati) in izvesti prve misije s posadko na Mars. Med tem in eksplozivno rastjo, ki jo vidimo v nizki zemeljski orbiti (LEO), ni dvoma, da živimo v dobi prenovljenega raziskovanja vesolja. Zato je razumljivo, da se te dni razmišlja tudi o starih in novih konceptih medzvezdnega potovanja.
Trenutno je velik poudarek na lahkih jadrih, ki ustvarjajo lasten pogon s pritiskom sevanja ali jih pospešujejo laserji. Ti koncepti predstavljajo vse vrste tehničnih in inženirskih izzivov. Na srečo je Coryn Bailer-Jones iz Inštitut za astronomijo Maxa Plancka (MPIA) pred kratkim opravil študijo kjer se zavzema za lahko jadro 'Sun Diver', ki bo s potapljanjem blizu Sonca nabralo vso hitrost, ki jo potrebuje.
Študija z naslovom ' The Sun Diver: Kombinacija sončnih jader z učinkom Oberth ,” se je pred kratkim pojavilo vAmerican Journal of Physics. Kot je opozoril Bailer-Jones, je ena največjih privlačnosti sončnih jader in lahkih jader dejstvo, da osvobodijo vesoljsko plovilo, da ne nosi lastnega pogonskega goriva. To zagotavlja manjšo maso, kar bo na koncu omogočilo pospeševanje vesoljskega plovila do večjih hitrosti.
To je posledica slavne raketne enačbe Ciolkovskega, ki opisuje, kako bo vesoljsko plovilo uporabilo pospešek tako, da bo del svoje mase (pogonsko gorivo) izrinilo kot potisk. Posledica te enačbe je, da količina pogonskega goriva, ki ga mora raketa prenesti, da poveča svojo hitrost (delta-v), eksponentno raste, ko se poveča delta-v, predvsem zato, ker se večina pogonskega goriva uporablja za pospeševanje neuporabljenega pogonskega goriva.
Do danes so bili razviti in preizkušeni številni koncepti kot sredstvo za raziskovanje Osončja, vključno s Planetary Society's LightSail in Svetlobno jadro 2 in JAXA IKAROS satelit. Poleg tega različne organizacije raziskujejo idejo svetlobnih jader, pospešenih z laserskimi nizi, kot sredstva za medzvezdno potovanje – kot npr. Preboj Starshot , Projekt Dragonfly in NASA Zvezdna svetloba .
V obeh primerih ima lahko jadro prednosti. Kot je Bailer-Jones povedal Universe Today po e-pošti:
»Za raziskovanje sončnega sistema vam sončna jadra torej omogočajo izvajanje veliko različnih manevrov ali vstop v orbite, ki bi sicer zahtevale veliko pogonskega goriva. Za medzvezdno potovanje bi uporabili sončno jadro za potop čim bližje Soncu, da bi tako dosegli največji pospešek od Sonca.
Fazni laserski niz, morda v visoki puščavi Čila, poganja jadra na njihovem potovanju. Zasluge: Prebojne pobude
Ta metoda je ugodna, saj se običajna sončna jadra zanašajo na sevalni tlak, ki ima nekaj pomanjkljivosti. Po besedah Bailer-Jonesa ti vključujejo popolno odvisnost od Sonca za skromno količino pospeška. 'Natančneje, največji pospešek, ki ga dobite od Sonca s sončnim jadrom, pade s kvadratom razdalje od Sonca,' je dejal. 'Torej niso veliko uporabni, ko si zelo daleč od sonca.'
Ker je količina sevalnega tlaka (in posledično delta-v) v teh primerih majhna, bi moralo biti lahko jadro izredno lahko ali izjemno veliko. Eden od načinov za rešitev te težave je, da se zanašate na močne nize usmerjene energije (laserske) za pospešitev jadra. To je točno tisto, karZvezdni strel, kačji pastir,inZvezdna svetlobakoncepti zahtevajo, vendar bi bila takšna množica zelo draga za izgradnjo in delovanje.
Druga možna rešitev je po besedah Bailer-Jonesa ustvariti lahkotno jadro, ki lahko izkoristi učinek Oberth. Kot je pojasnil:
'Načelo Oberthovega učinka je, da uporabite svoj pospešek, ko se gibljete najhitreje glede na telo, v katerem krožite, kar je Sonce v primeru Sundiverja. Bližje kot ste Soncu v svoji orbiti, hitrejši boste. Če želite torej izkoristiti učinek Obertha, se morate čim bolj približati Soncu.'
Sončno jadralno vesoljsko plovilo LightSail-1 Planetary Society naj bi leta 2016 zapeljalo raketo SpaceX Falcon Heavy v orbito s svojim matičnim satelitom Prox-1. Zasluge: Josh Spradling/The Planetary Society.
Za ta proces bi vesoljsko plovilo z jadrom, spravljenim v notranjosti, in majhno količino pogonskega goriva prevzelo krožno kroženje okoli Sonca. Vesoljsko plovilo bi potem lahko naredilo eno od treh stvari. Prvič, lahko bi uporabil vse svoje pogonsko gorivo, da bi izvedel retrogradno spodbudo (ki bi zmanjšal njegovo orbitalno hitrost) in padel čim bližje Soncu, preden bi razprl svoje jadro.
Drugič, lahko se popolnoma odpove potopu in uporabi popolno napredovanje (povečanje svoje orbitalne hitrosti), ko so jadra razporejena. Tretjič, lahko izvede kombinacijo obeh. Razmišljal je tudi o scenariju, v katerem bi se jadra odprla na začetni krožni orbiti, na koncu pa bi se uporabilo polno pospeševanje pogonskega goriva.
Po preučitvi vseh teh scenarijev je Bailer-Jones sklenil, da bi najvišjo hitrost dosegli tako, da bi vesoljsko plovilo izvedlo popoln retrogradni zagon, da se potopi čim bližje Soncu, nato pa odpre jadro, ko doseže perihel. Po njegovih izračunih bi lahko jadro na ta način doseglo končno hitrost okoli 350 km/s – kar doseže 1,26 milijona km/h (~783,00 mph).
To je bistveno hitreje od tistega, kar lahko dosežejo kemične rakete. Trenutno drži rekord za najhitrejše vesoljsko plovilo Sončna sonda Parker , ki je dosegel največjo hitrost okoli 246.960 km/h (153.454 mph). Kljub temu bi pri končni hitrosti 1,26 milijona km/h še vedno potrebovalo lahko jadro približno 2865 let, da bi doseglo Proksimo Centauri.
Vesoljska sonda IKAROS s solarnim jadrom med letom (umetnikova upodobitev), ki prikazuje tipično kvadratno konfiguracijo jadra. Zasluge: Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki
Kot je navedel Bailer-Jones, je to posledica omejitev znanosti o materialih, ki nalagajo omejitve glede tega, kako blizu se lahko vesoljsko plovilo približa Soncu. »[Če] bi vaše vesoljsko plovilo zdržalo približevanje Soncu bližje kot potop, ki bi ga lahko dosegli z razpoložljivim delta-v, potem bi lahko nagnili jadro tako, da se spiralno nagiba čim bližje Soncu in nato uporabili delta-v kot spodbudo,' je dejal.
Poleg tega se njegova študija osredotoča na to, kaj je mogoče doseči z eno samo orbito prenosa. Kot razširitev trdi, da bi lahko optimalna kombinacija treh impulznih metod, ki jih je identificiral med dvema orbitama prenosa, vodila tudi do večjih hitrosti. Toda kljub temu obstaja veliko profilov misij, ki bi jih lahko izpolnil Sun Diver, še posebej bližje domu:
'Uporabnost učinka Oberth je lahko v praksi omejena, saj vas pri mnogih misijah ne zanima samo hitrost. Prav tako želite nadzorovati smer, v kateri potujete, in kdaj pridete do določenih ciljev, zato popravljanje teh morda ne bo združljivo z največjim možnim povečanjem učinka Oberth.
Kar zadeva medzvezdne misije, bo to moralo počakati na napredek znanosti o materialih, ne glede na to, ali gre za 'Sun Diver' ali koncept pogona z usmerjeno energijo. Na srečo se tak napredek (in še veliko več) pričakuje v prihodnjih letih in posledice za raziskovanje vesolja bodo zagotovo globoke!
Nadaljnje branje: arXiv