Aurinkopurje on tapa liikuttaa avaruusalusta käyttämällä tähtien lähettämän valon ja suurnopeuskaasujen painetta (kutsutaan myös auringon valopaineeksi). Katsotaanpa sen laitetta tarkemmin.
Purjeen käyttäminen tarkoittaa edullisia avaruusmatkoja yhdistettynä pidentyneeseen käyttöikään. Monien liikkuvien osien puutteen ja ponneaineen käytön vuoksi tällainen alus on mahdollisesti uudelleenkäytettävissä hyötykuormien toimittamiseen. Joskus käytetään myös nimiä valo tai fotonipurje.
Konseptitarina
Johannes Kepler huomasi kerran, että komeetan häntä näyttää poispäin Auringosta, ja ehdotti, että tähti tuottaa tämän vaikutuksen. Kirjeessään Galileolle vuonna 1610 hän kirjoitti: "Varusta laivaan aurinkotuulen mukaan sovitettu purje, niin tulee niitä, jotka usk altavat tutkia tätä tyhjyyttä." Ehkä näillä sanoilla hän viittasi nimenomaan "komeetan hännän" ilmiöön, vaikka tästä aiheesta ilmestyi julkaisuja useita vuosia myöhemmin.
James K. Maxwell julkaisi 1800-luvun 60-luvulla teorian sähkömagneettisesta kentästä jasäteily, jossa hän osoitti, että valolla on vauhtia ja se voi siten kohdistaa painetta esineisiin. Maxwellin yhtälöt tarjoavat teoreettisen perustan kevyelle paineliikkeelle. Siksi jo vuonna 1864 fysiikan yhteisössä ja sen ulkopuolella tiedettiin, että auringonvalo kuljettaa impulssia, joka kohdistaa painetta esineisiin.
Ensin Pjotr Lebedev osoitti kokeellisesti valon paineen vuonna 1899, ja sitten Ernest Nichols ja Gordon Hull suorittivat samanlaisen riippumattoman kokeen vuonna 1901 käyttäen Nicholsin radiometriä.
Albert Einstein esitteli erilaisen muotoilun, joka tunnusti massan ja energian vastaavuuden. Nyt voimme yksinkertaisesti kirjoittaa p=E/c liikemäärän, energian ja valonnopeuden suhteeksi.
Svante Arrhenius ennusti vuonna 1908 auringon säteilyn aiheuttaman paineen mahdollisuuden, joka kuljettaa eläviä itiöitä tähtienvälisten etäisyyksien yli, ja sen seurauksena panspermian käsitteen. Hän oli ensimmäinen tiedemies, joka väitti, että valo voi siirtää esineitä tähtien välillä.
Friedrich Zander julkaisi paperin, joka sisälsi aurinkopurjeen teknisen analyysin. Hän kirjoitti "v altavien ja erittäin ohuiden peililevyjen käytöstä" ja "auringonvalon paineesta kosmisten nopeuksien saavuttamiseksi".
Ensimmäiset viralliset projektit tämän tekniikan kehittämiseksi alkoivat vuonna 1976 Jet Propulsion Laboratoryssa ehdotettua kohtaamistehtävää Halley's Cometin kanssa.
Kuinka aurinkopurje toimii
Valo vaikuttaa kaikkiin ajoneuvoihin planeetan kiertoradalla tai sen sisälläplaneettojen välinen tila. Esimerkiksi tavanomainen avaruusalus, joka on matkalla Marsiin, olisi yli 1000 kilometrin päässä Auringosta. Nämä vaikutukset on otettu huomioon avaruusmatkailun suunnittelussa ensimmäisestä planeettojenvälisestä avaruusaluksesta lähtien 1960-luvulla. Säteily vaikuttaa myös ajoneuvon asentoon, ja tämä tekijä on otettava huomioon laivan suunnittelussa. Aurinkopurjeeseen kohdistuva voima on 1 newton tai vähemmän.
Tämän tekniikan käyttö on kätevää tähtienvälisillä kiertoradoilla, joilla kaikki toimet suoritetaan hitaalla tahdilla. Kevyen purjeen voimavektori on suunnattu auringon linjaa pitkin, mikä lisää kiertoradan energiaa ja kulmamomenttia, jolloin alus siirtyy kauemmas auringosta. Radan k altevuuden muuttamiseksi voimavektori on nopeusvektorin tason ulkopuolella.
Aseman ohjaus
Avaruusaluksen Attitude Control System (ACS) -järjestelmää tarvitaan halutun asennon saavuttamiseen ja muuttamiseksi universumin halki matkustaessaan. Laitteen asetusasento muuttuu hyvin hitaasti, usein alle yhden asteen päivässä planeettojenvälisessä avaruudessa. Tämä prosessi tapahtuu paljon nopeammin planeettojen kiertoradalla. Aurinkopurjetta käyttävän ajoneuvon ohjausjärjestelmän on täytettävä kaikki suuntavaatimukset.
Hallinta saavutetaan suhteellisella siirrolla aluksen painekeskuksen ja sen massakeskuksen välillä. Tämä voidaan saavuttaa ohjaussiipillä, yksittäisiä purjeita liikuttamalla, ohjausmassaa liikuttamalla tai heijastinta vaihtamallakyvyt.
Seisoma-asento vaatii ACS:n pitämään nettovääntömomentin nollassa. Purjeen voimamomentti ei ole vakio matkaradalla. Muutokset auringon etäisyyden ja kulman mukaan, mikä korjaa purjeen akselia ja poikkeuttaa joitain tukirakenteen elementtejä, mikä johtaa voiman ja vääntömomentin muutoksiin.
Rajoitukset
Aurinkopurje ei pysty toimimaan alle 800 km:n korkeudessa Maasta, koska tähän asti ilmanvastusvoima ylittää kevyen painevoiman. Eli auringonpaineen vaikutus on heikosti havaittavissa, eikä se yksinkertaisesti toimi. Purjelaivan kääntönopeuden on oltava yhteensopiva kiertoradan kanssa, mikä on yleensä ongelma vain pyörivien kiekkojen kokoonpanoissa.
Käyttölämpötila riippuu auringon etäisyydestä, kulmasta, heijastavuudesta sekä etu- ja takajäähdyttimistä. Purjetta saa käyttää vain, jos lämpötila pysyy materiaalirajoissaan. Sitä voidaan yleensä käyttää melko lähellä aurinkoa, noin 0,25 AU, jos alus on huolellisesti suunniteltu näihin olosuhteisiin.
Määritykset
Eric Drexler teki aurinkopurjeen prototyypin erikoismateriaalista. Se on kehys, jossa on ohut alumiinikalvo, jonka paksuus on 30-100 nanometriä. Purje pyörii ja sen tulee olla jatkuvasti paineen alaisena. Tämän tyyppisellä rakenteella on suuri pinta-ala massayksikköä kohden ja siksikiihtyvyys "viisikymmentä kertaa nopeampaa" kuin levitettäviin muovikalvoihin perustuvat. Se on neliömäinen purje, jossa on mastot ja kaksoisviivat purjeen pimeällä puolella. Neljä risteävää mastoa ja yksi kohtisuoraan keskustaan johtojen pitämiseksi.
Elektroninen suunnittelu
Pekka Janhunen keksi sähköpurjeen. Mekaanisesti sillä on vähän yhteistä perinteisen valosuunnittelun kanssa. Purjeet korvataan suoristetuilla johtavilla kaapeleilla (langoilla), jotka on järjestetty radiaalisesti laivan ympärille. Ne luovat sähkökentän. Se ulottuu useita kymmeniä metrejä ympäröivän aurinkotuulen plasmaan. Auringon elektronit heijastuvat sähkökentässä (kuten fotonit perinteisessä aurinkopurjeessa). Laivaa voidaan ohjata säätämällä johtojen sähkövarausta. Sähköpurjeessa on 50-100 suoristettua lankaa, pituus noin 20 km.
Mistä se on tehty?
Drexlerin aurinkopurjeeseen kehitetty materiaali on ohut alumiinikalvo, jonka paksuus on 0,1 mikrometriä. Kuten odotettiin, se on osoittanut riittävän lujuuden ja luotettavuuden käytettäväksi avaruudessa, mutta ei kokoontaittamiseen, laukaisuun ja käyttöönottoon.
Yleisin nykyaikaisten mallien materiaali on alumiinikalvo "Kapton", jonka koko on 2 mikronia. Se kestää korkeita lämpötiloja lähellä aurinkoa ja on tarpeeksi vahva.
Oli joitain teoreettisiaspekulaatioita molekyylivalmistustekniikoiden soveltamisesta kehittyneen, vahvan, ultrakevyen purjeen luomiseksi, joka perustuu nanoputkikangasverkkoihin, joissa kudotut "raot" ovat alle puolet valon aallonpituudesta. Tällainen materiaali luotiin vain laboratoriossa, eikä teollisessa mittakaavassa valmistukseen ole vielä olemassa keinoja.
Kevyt purje avaa loistavat mahdollisuudet tähtienväliselle matkalle. Tietenkin on vielä monia kysymyksiä ja ongelmia, jotka on kohdattava, ennen kuin matkustamisesta maailmankaikkeuden halki tällaisella avaruusalussuunnittelulla tulee yleinen asia ihmiskunnalle.
