Saulės burė – tai būdas varyti erdvėlaivį naudojant šviesos ir didelio greičio dujų slėgį (taip pat vadinamą saulės šviesos slėgiu), kurį skleidžia žvaigždė. Pažvelkime į jo įrenginį atidžiau.
Burės naudojimas reiškia nebrangias keliones kosmose ir ilgesnę tarnavimo laiką. Dėl to, kad trūksta daug judančių dalių, taip pat reikia naudoti raketinį kurą, tokį laivą galima pakartotinai naudoti kroviniams pristatyti. Kartais taip pat vartojami pavadinimai šviesa arba fotoninė burė.
Koncepcinė istorija
Johannesas Kepleris kartą pastebėjo, kad kometos uodega atrodo toliau nuo Saulės, ir pasiūlė, kad šį efektą sukelia žvaigždė. 1610 m. laiške „Galileo“jis rašė: „Parūpink laivui bures, pritaikytas saulės vėjui, ir atsiras tokių, kurie išdrįs tyrinėti šią tuštumą“. Galbūt šiais žodžiais jis nurodė būtent „kometos uodegos“fenomeną, nors publikacijos šia tema pasirodė po kelerių metų.
James K. Maxwell XIX amžiaus 60-aisiais paskelbė elektromagnetinio lauko teoriją irspinduliuotė, kurioje jis parodė, kad šviesa turi impulsą ir todėl gali daryti spaudimą objektams. Maksvelo lygtys suteikia teorinį lengvo slėgio judėjimo pagrindą. Todėl jau 1864 m. fizikų bendruomenėje ir už jos ribų buvo žinoma, kad saulės šviesa neša impulsą, kuris daro spaudimą objektams.
Pirma, Piotras Lebedevas eksperimentiškai pademonstravo šviesos slėgį 1899 m., o vėliau Ernestas Nicholsas ir Gordonas Hullas 1901 m. atliko panašų nepriklausomą eksperimentą, naudodami Nikolso radiometrą.
Albertas Einšteinas pristatė kitokią formuluotę, pripažindamas masės ir energijos lygiavertiškumą. Dabar galime tiesiog parašyti p=E/c kaip impulso, energijos ir šviesos greičio santykį.
Svante Arrhenius 1908 m. numatė saulės spinduliuotės slėgio, pernešančio gyvas sporas tarpžvaigždiniais atstumais, galimybę ir dėl to panspermijos sampratą. Jis buvo pirmasis mokslininkas, pareiškęs, kad šviesa gali perkelti objektus tarp žvaigždžių.
Friedrichas Zanderis paskelbė straipsnį, kuriame buvo techninė saulės burės analizė. Jis rašė apie „didžiulių ir labai plonų veidrodžių lakštų naudojimą“ir „saulės šviesos spaudimą pasiekti kosminį greitį“.
Pirmieji oficialūs šios technologijos kūrimo projektai prasidėjo 1976 m. Reaktyvinio judėjimo laboratorijoje, skirtoje pasiūlytai pasimatymo su Halio kometa misijai.
Kaip veikia saulės burė
Šviesa veikia visas transporto priemones, esančias planetos orbitoje arba jojetarpplanetinė erdvė. Pavyzdžiui, įprastas erdvėlaivis, skrisdamas į Marsą, būtų nutolęs nuo Saulės daugiau nei 1000 km. Šie efektai buvo įtraukti į kosminių kelionių trajektorijų planavimą nuo pat pirmojo tarpplanetinio erdvėlaivio septintajame dešimtmetyje. Radiacija turi įtakos ir transporto priemonės padėčiai, todėl projektuojant laivą reikia atsižvelgti į šį veiksnį. Saulės burės jėga yra 1 niutonas arba mažesnė.
Šią technologiją patogu naudoti tarpžvaigždinėse orbitose, kur bet koks veiksmas atliekamas mažu tempu. Lengvosios burės jėgos vektorius yra orientuotas išilgai saulės linijos, todėl padidėja orbitos energija ir kampinis impulsas, todėl laivas nutolsta toliau nuo saulės. Norint pakeisti orbitos pokrypį, jėgos vektorius yra už greičio vektoriaus plokštumos.
Padėties valdymas
Erdvėlaivio požiūrio valdymo sistema (ACS) reikalinga norint pasiekti ir pakeisti norimą padėtį keliaujant per Visatą. Nustatyta aparato padėtis keičiasi labai lėtai, dažnai mažiau nei vieną laipsnį per dieną tarpplanetinėje erdvėje. Šis procesas planetų orbitose vyksta daug greičiau. Saulės burę naudojančios transporto priemonės valdymo sistema turi atitikti visus orientacijos reikalavimus.
Valdymas pasiekiamas santykiniu poslinkiu tarp indo slėgio centro ir jo masės centro. Tai galima pasiekti naudojant valdymo mentes, perkeliant atskiras bures, judant kontrolinę masę arba keičiant šviesągebėjimai.
Stovintoje padėtyje reikalinga ACS, kad grynasis sukimo momentas būtų lygus nuliui. Burės jėgos momentas trajektorijoje nėra pastovus. Keičiasi atsižvelgiant į atstumą nuo saulės ir kampą, dėl ko pakoreguojamas burės velenas ir iškreipiami kai kurie atraminės konstrukcijos elementai, todėl pasikeičia jėga ir sukimo momentas.
Apribojimai
Saulės burė negalės veikti žemesniame nei 800 km aukštyje nuo Žemės, nes iki šio atstumo oro pasipriešinimo jėga viršija lengvo slėgio jėgą. Tai reiškia, kad saulės slėgio įtaka yra silpnai pastebima ir ji tiesiog neveiks. Burlaivio posūkio greitis turi būti suderinamas su orbita, o tai dažniausiai yra tik besisukančio disko konfigūracijų problema.
Darbinė temperatūra priklauso nuo saulės atstumo, kampo, atspindžio ir priekinių bei galinių radiatorių. Burė gali būti naudojama tik ten, kur temperatūra neviršija medžiagų ribų. Paprastai jis gali būti naudojamas gana arti saulės, maždaug 0,25 AU, jei laivas yra kruopščiai suprojektuotas tokioms sąlygoms.
Konfigūracija
Eric Drexler pagamino saulės burės prototipą iš specialios medžiagos. Tai rėmas su plonos aliuminio plėvelės plokšte, kurios storis nuo 30 iki 100 nanometrų. Burė sukasi ir turi būti nuolat spaudžiama. Šio tipo konstrukcijos turi didelį plotą masės vienetui, todėlpagreitis yra „penkiasdešimt kartų greitesnis“nei pagrįsti išskleidžiamomis plastikinėmis plėvelėmis. Tai kvadratinė burė su stiebais ir dvigubomis linijomis tamsioje burės pusėje. Keturi susikertantys stiebai ir vienas statmenas centrui, kad būtų laikomi laidai.
Elektroninis dizainas
Pekka Janhunen išrado elektrinę burę. Mechaniškai jis turi mažai bendro su tradiciniu šviesos dizainu. Bures pakeičia ištiesinti laidūs kabeliai (laidai), išdėstyti radialiai aplink laivą. Jie sukuria elektrinį lauką. Jis tęsiasi kelias dešimtis metrų į aplinkinio saulės vėjo plazmą. Saulės elektronus atspindi elektrinis laukas (kaip fotonai tradicinėje saulės burėje). Laivą galima valdyti reguliuojant laidų elektros krūvį. Elektrinė burė turi 50–100 ištiesintų laidų, apie 20 km ilgio.
Iš ko jis pagamintas?
Drekslerio saulės burei sukurta medžiaga yra plona 0,1 mikrometro storio aliuminio plėvelė. Kaip ir tikėtasi, jis buvo pakankamai tvirtas ir patikimas naudoti kosmose, bet ne sulankstyti, paleisti ir išskleisti.
Paprasta šiuolaikinio dizaino medžiaga yra 2 mikronų dydžio aliuminio plėvelė „Kapton“. Jis atsparus aukštai temperatūrai šalia Saulės ir yra pakankamai tvirtas.
Buvo keletas teoriniųspekuliacijos apie molekulinės gamybos metodų taikymą, siekiant sukurti pažangią, stiprią, itin lengvą burę, pagrįstą nanovamzdelių audinio tinkleliais, kur austi „tarpai“yra mažesni nei pusė šviesos bangos ilgio. Tokia medžiaga buvo sukurta tik laboratorijoje, o gamybos pramoniniu mastu priemonių dar nėra.
Lengva burė atveria puikias tarpžvaigždinių kelionių perspektyvas. Žinoma, vis dar yra daug klausimų ir problemų, su kuriomis teks susidurti, prieš keliaujant per visatą su tokia erdvėlaivio konstrukcija žmonijai tampa įprasta.
