Bir güneş yelkeni veya photovoile bir cihazdır powered kullanarak radyasyon basıncı tarafından yayılan yıldızlı taşımak alan bir şeklinde yelkenli . Üretilen düşük itme gücü göz önüne alındığında, süreç bir gezegenin yüzeyini terk etmeye izin vermez ( atmosferden ve dolayısıyla sürtünmeden bile yoksun ). Bununla birlikte, minimum yörünge hızına ve hatta bırakma hızına zaten ulaşmış bir cihazda kullanılabilir . Birkaç küçük prototipler, yörüngede yerleştirilmiş olan, özellikle hassas dağıtım ve oryantasyon kontrol sistemlerini geliştirmek amaçlanmıştır ve geliştirilme aşamasında olan: Ikaros (173 m 2 Japon uzay ajansı), JAXA 2010 veya başlatılan, Sunjammer 1,200 güneş yelken m 2014 yılında NASA tarafından geliştirilmesi durdurulan 2 .
Güneş yelkeni, kendisine çarpan fotonların ürettiği basınçla hareket eder. Yelken ne kadar büyük ve yansıtıcı olursa, itici güç o kadar büyük olur. Daha sonra, yelkeni eğerek veya kanadı üzerinde hareket ederek, ışığa sunulan yüzeyi değiştirebilir ve böylece güç dengesini yelkeni "pilot" olarak ayarlayabiliriz. Yelkenli bir tekneye çok benzeyen, su ve rüzgar kuvvetini kullanan bir güneş yelkenli uzay aracı, uzayda gezinmek için yerçekimi kuvvetini ve fotonik itme kuvvetini kullanabilir.
Ana avantaj, böyle bir cihazla donatılmış bir araç için yakıtın bulunmamasıdır. Bu, güneş sisteminde çok büyük bir hareket özerkliği tasavvur etmeyi mümkün kılar .
Bir referans işaretine göre bir hız ile hareketlendirilmiş büyük bir gövde , ürün olan bir hareket miktarına sahiptir . Kütlesiz bir parçacık (bir foton gibi ), kendisini aynı birimde ifade eden ve “dürtü” olarak adlandırılan bir özelliğe sahiptir: enerjisinin hızına oranı .
Koruma nedenlerinden ötürü , parçacığın bir hedef tarafından emilmesi, aşağıdaki formüle göre ikincisinin geri çekilmesine neden olur:
ile
: momentum vektörünün normu ( kg m s −1 cinsinden ) : Planck sabiti : 6,63 × 10 −34 J s : frekans (hertz cinsinden) : ışık hızı : 3 × 10 8 m s −1 : dalga boyu (metre cinsinden)Parçacık yansıtılır ve emilmezse, momentumunun iki katını iletecektir.
Hesaplamaları basitleştirmek için, Güneş'in çeşitli dalga boyları yaymadığını, sadece 0,5 μm'lik bir dalga boyunu yaydığını varsayalım .
Güneş bir toplam güç E yayan s = 3.9 x 10 26 W . Bu, E s / E p = 10 45 fotonu temsil eder .
Dünya yörüngesine, bu fotonlar 2.8 x 10 yani bir yüzey alanına, bir yarıçap içinde bir küre üzerinde 150 milyon kilometre dağıtılır 23 m 2 .
Bu, 10 45 / (2.8 × 10 23 ) veya 3.57 × 10 21 foton s −1 m −2 yoğunluğunu temsil eder .
1 m 2 güneş perdesinin Dünya yörüngesinde toplayabileceği maksimum itkiyi , yani 9.4 × 10 −6 kg m s −1 m −2'yi elde etmek için her birinin itkisinin iki katı ile çarpıyoruz .
1 hızlandırmak kg 1 m / s 2 , bu nedenle 106.383 en az bir alana ihtiyaç m 2 , yani 326 m x 326 bir kare, m bu yelken yükünü elde etmek üzere kesilir edilecek olan kütlesi. 1 kg'dan daha az malzeme kullanan bu boyuttaki bir yelken, herhangi bir hava akımı altında Dünya'da hemen parçalanır, ancak bu problem açıkça uzayda bu büyüklükte mevcut değildir.
Güneş rüzgarının önemiGüneş rüzgârını da (Güneş'ten gönderilen elektrik yüklü parçacıkların akışı) bu fenomene bir katkı olarak düşünebiliriz . İşte fikirleri düzeltmek için küçük bir hesaplama.
Güneş rüzgarının Dünya seviyesindeki özellikleri şunlardır:
Parçacık hızı: yaklaşık 500 km / sn = 5 × 10 5 m / sn .
Yoğunluk: santimetre küp başına yaklaşık 10 partiküller ya da 10 7 metre küp başına parçacıkları.
Bir saniye içinde ve üzerinde 1 m 2 , bu nedenle bu, N = 5 x 10 olur 5 x 10 7 = 5 x 10 12 parçacıkları.
Bileşim değişkendir, ancak çoğunlukla elektronlar ve iyonize hidrojen atomları (yani protonlar ) içerir. Her parçacığın kütlesi şu şekilde tahmin edilebilir: m = 2 × 10 −27 kg .
Yelken üzerinde tamamen zıplarlarsa, her biri yelkene kendi iki katına eşit bir itki iletecektir, yani p = 2 m v = 2 × 10 −21 kg m s −1 .
1 ile ivme geçirmiş m 2 N x p / 1 s = 10: = nedenle -8 / m s 2 .
Bunların hepsi yüksek bir tahmin. Daha önce bulunan radyatif basınçla (yani 5 × 10-6 ) karşılaştırırsak, güneş rüzgarı en iyi ihtimalle toplamın yalnızca% 0,2'sine katkıda bulunur. Ve aslında, elektronların oranını (akışın yarısı) hesaba katarsak, yuvarlamalar ne kadar fazlaysa, yelkende gömülmeyi tercih eden iyonların zayıf yansıması o kadar fazla olur, en azından şu şekilde bölünebiliriz: 4 bu büyüklük mertebesi veya nihayetinde% 0,05 düzeyinde bir katkı, başka bir deyişle ihmal edilebilir.
Öte yandan, elektrik yüklü parçacıkların oluşturduğu manyetik alanın manyetik bir yelken kullanarak kendilerini ilerletmek için kullanılması düşünülebilir .
Nedenle, yelken sunduğu yüzey itme bu aracının performansında ilkel karakteristik (110,000 bir yelken olduğu anlaşılmaktadır m 2 1 kg m / s olan bir itme elde etmek için gerekli olan 2 ). O zaman zorluk, bu yelkeni bu makinelerin yörüngeleri sırasında taşımak, yerleştirmek ve uzay boşluğunda yönlendirmek olacaktır.
Farklı yelken şekilleri mevcuttur:
Kanopinin kalitesi de önemlidir. Güçlü ve hafif olmalı ve maksimum ışık yansıtma gücüne sahip olmalıdır. Gelecekteki çalışma uydusu için itici bir araç tasarlarken Halley kuyruklu yıldızının 1973 yılında, güneş yelkeni yapıldığı bir mylar ve kapton polimer sadece birkaç mikrometre kalınlığında.
Birkaç güneş yelkenleri uzaya fırlatıldı veya üzerinde çalışılıyor ya da geliştiriliyor. Bunlar, özellikle yelkenin konuşlandırılması ve itme yönü olmak üzere, bu tür itiş gücüne özgü çeşitli sistemleri geliştirmeyi amaçlayan prototiplerdir. IKAROS , Japon uzay ajansı JAXA tarafından geliştirilen , 2010 yılında fırlatılan ve halen 2014 yılında faaliyete geçen bir güneş yelkenidir . 173 m²'lik yüzey alanı, bir ay sonra 12 m / s maksimum hız değişimine izin verir . Güneş yelkeni için 2 kg dahil toplam 315 kg kütlesiyle , 10 aylık bir gün merkezli yörüngede dolaşmaktadır . NanoSail-D2 , NASA için yapılmış ve 2011 yılında başlatılan 10 m²'lik küçük bir güneş yelkenidir . Bu projenin devamı, 2015 yılında denize indirilecek olan ancak 2014 yılında geliştirilmesine son verilen 1200 m²'lik güneş yelkeni Sunjammer'dir . Son olarak LightSail-1, Planetary Society tarafından geliştirilen ve 2016'da fırlatılması planlanan 32 m²'lik bir güneş yelkenidir .
Tanımlama | Tasarımcı | Lansman tarihi | Durum | Yelken alanı | Malzeme | Peçe dahil kitle | İtme | Rehberlik sistemi | Yörünge | Yorum Yap |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
IKAROS | JAXA | 2010 | operasyonel | 173 m² | 7.5 μm kalınlığında poliimid | 315 kg / 15 kg | 1.6 milinewton | Sıvı kristal ekran | güneş merkezli yörünge | |
NanoSail-D2 | NASA | 2011 | görev tamamlandı | 10 m² | 7,5 μm kalınlığında CP1 | 4 kg /? kilogram | ? Millinewton | ? | alçak yörünge | |
Sunjammer | NASA | - | terk edilmiş proje | 1200 m² | 5 μm kalınlığında kapton | ? kg / 32 kg | 10 milinewton | ayarlanabilir güneş yelken kısımları | Lagrange noktası L1 | |
LightSail-1 | Gezegensel Toplum | 2016 | geliştirilmekte | 32 m² | mylar | 4 kg /? kilogram | ? Millinewtons | alçak yörünge | ||
LightSail-2 | Gezegensel Toplum | 25 Haziran 2019 | uzayda konuşlandırıldı | 32 m² | mylar | ? | ? Millinewtons | alçak yörünge |
Solar yelken bir bilim kurgu temasıdır :