بادبان خورشیدی راهی برای به حرکت درآوردن فضاپیما با استفاده از فشار نور و گازهای پرسرعت (که فشار نور خورشید نیز نامیده می شود) منتشر شده از یک ستاره است. بیایید نگاهی دقیق‌تر به دستگاه آن بیندازیم.
استفاده از بادبان به معنای سفر فضایی کم هزینه همراه با طول عمر طولانی است. به دلیل کمبود قطعات متحرک زیاد و همچنین نیاز به استفاده از پیشران، چنین کشتی به طور بالقوه قابل استفاده مجدد برای تحویل محموله است. گاهی اوقات از نام نور یا بادبان فوتون نیز استفاده می شود.
داستان مفهومی
یوهانس کپلر یک بار متوجه شد که دم یک دنباله دار به دور از خورشید نگاه می کند و پیشنهاد کرد که این ستاره است که این اثر را ایجاد می کند. در نامه ای به گالیله در سال 1610، او نوشت: "برای کشتی بادبانی مناسب برای نسیم خورشیدی فراهم کنید، و کسانی خواهند بود که جرات می کنند این خلاء را کشف کنند." شاید با این سخنان او دقیقاً به پدیده "دم دنباله دار" اشاره کرد، اگرچه چندین سال بعد انتشاراتی در این زمینه منتشر شد.
James K. Maxwell در دهه 60 قرن نوزدهم نظریه میدان الکترومغناطیسی وتابش، که در آن او نشان داد که نور دارای تکانه است و بنابراین می تواند بر اجسام فشار وارد کند. معادلات ماکسول مبنای نظری حرکت فشار نور را فراهم می کند. بنابراین، در اوایل سال 1864، در داخل و خارج از جامعه فیزیک مشخص شد که نور خورشید حامل ضربه ای است که بر اجسام فشار وارد می کند.
ابتدا، پیوتر لبدف به طور تجربی فشار نور را در سال 1899 نشان داد و سپس ارنست نیکولز و گوردون هال آزمایش مستقل مشابهی را در سال 1901 با استفاده از رادیومتر نیکولز انجام دادند.
آلبرت انیشتین فرمول متفاوتی را معرفی کرد و معادل جرم و انرژی را تشخیص داد. اکنون می توانیم به سادگی p=E/c را به عنوان نسبت بین تکانه، انرژی و سرعت نور بنویسیم.
Svante Arrhenius در سال 1908 امکان فشار ناشی از تشعشعات خورشیدی که هاگ های زنده را در فواصل بین ستاره ای حمل می کند و در نتیجه مفهوم پانسپرمیا را پیش بینی کرد. او اولین دانشمندی بود که ادعا کرد نور می تواند اجسام را بین ستاره ها حرکت دهد.
فریدریش زاندر مقاله ای شامل تحلیل فنی بادبان خورشیدی منتشر کرد. او در مورد "استفاده از آینه های بزرگ و بسیار نازک" و "فشار نور خورشید برای دستیابی به سرعت های کیهانی" نوشت.
اولین پروژه های رسمی برای توسعه این فناوری در سال 1976 در آزمایشگاه پیشرانه جت برای یک ماموریت قرار ملاقات با ستاره دنباله دار هالی آغاز شد.
چگونه بادبان خورشیدی کار می کند
نور بر همه وسایل نقلیه در مدار سیاره یا داخل آن تأثیر می گذاردفضای بین سیاره ای برای مثال، یک فضاپیمای معمولی که به سمت مریخ می رود، بیش از 1000 کیلومتر از خورشید فاصله خواهد داشت. این اثرات از زمان اولین فضاپیمای بین سیاره ای در دهه 1960 در برنامه ریزی مسیر سفرهای فضایی لحاظ شده است. تشعشعات نیز بر موقعیت وسیله نقلیه تأثیر می گذارد و این عامل باید در طراحی کشتی در نظر گرفته شود. نیروی وارد بر بادبان خورشیدی 1 نیوتن یا کمتر است.
استفاده از این فناوری در مدارهای بین ستاره ای راحت است، جایی که هر اقدامی با سرعت کم انجام می شود. بردار نیروی بادبان سبک در امتداد خط خورشید قرار دارد که انرژی و تکانه زاویه ای مدار را افزایش می دهد و باعث می شود کشتی از خورشید دورتر شود. برای تغییر شیب مدار، بردار نیرو خارج از صفحه بردار سرعت است.
کنترل موقعیت
یک سیستم کنترل نگرش فضاپیما (ACS) برای رسیدن و تغییر موقعیت مورد نظر در حین سفر در کیهان مورد نیاز است. موقعیت تنظیم دستگاه بسیار آهسته تغییر می کند، اغلب کمتر از یک درجه در روز در فضای بین سیاره ای. این فرآیند در مدار سیارات بسیار سریعتر اتفاق می افتد. سیستم کنترل وسیله نقلیه ای که از بادبان خورشیدی استفاده می کند باید تمام الزامات جهت گیری را برآورده کند.
کنترل با تغییر نسبی بین مرکز فشار کشتی و مرکز جرم آن به دست می آید. این را می توان با پره های کنترل، حرکت بادبان های منفرد، حرکت یک توده کنترلی یا تغییر بازتابنده به دست آوردتوانایی ها.
وضعیت ایستاده به ACS نیاز دارد تا گشتاور خالص را روی صفر نگه دارد. لحظه نیروی بادبان در طول مسیر ثابت نیست. تغییرات با فاصله از خورشید و زاویه، که شفت بادبان را اصلاح می کند و برخی از عناصر ساختار نگهدارنده را منحرف می کند و در نتیجه نیرو و گشتاور را تغییر می دهد.
محدودیت
بادبان خورشیدی نمی تواند در ارتفاع کمتر از 800 کیلومتر از زمین کار کند، زیرا تا این فاصله نیروی مقاومت هوا از نیروی فشار نور بیشتر است. یعنی تأثیر فشار خورشید ضعیف قابل توجه است و به سادگی کار نخواهد کرد. سرعت چرخش کشتی بادبانی باید با مدار سازگار باشد، که معمولاً فقط برای پیکربندی دیسک چرخان مشکل دارد.
دمای کار به فاصله خورشیدی، زاویه، بازتابش و رادیاتورهای جلو و عقب بستگی دارد. بادبان را فقط می توان در جایی استفاده کرد که دما در محدوده مواد آن حفظ شود. اگر کشتی به دقت برای آن شرایط طراحی شده باشد، معمولاً می توان آن را تقریباً نزدیک به خورشید، در حدود 0.25 AU استفاده کرد.
پیکربندی
Eric Drexler یک نمونه اولیه بادبان خورشیدی را از یک ماده خاص ساخت. این یک قاب با صفحه ای از فیلم آلومینیومی نازک با ضخامت 30 تا 100 نانومتر است. بادبان می چرخد و باید دائماً تحت فشار باشد. این نوع سازه مساحت بالایی در واحد جرم دارد و بنابراینشتاب "پنجاه برابر سریعتر" از شتاب های مبتنی بر فیلم های پلاستیکی قابل استقرار. این بادبان مربعی با دکل ها و خطوط دوقلو در سمت تاریک بادبان است. چهار دکل متقاطع و یکی عمود بر مرکز برای نگه داشتن سیم ها.
طراحی الکترونیک
Pekka Janhunen بادبان برقی را اختراع کرد. از نظر مکانیکی، شباهت کمی با طراحی نور سنتی دارد. بادبان ها با کابل های رسانای صاف (سیم) که به صورت شعاعی در اطراف کشتی چیده شده اند جایگزین می شوند. میدان الکتریکی ایجاد می کنند. چندین ده متر در پلاسمای باد خورشیدی اطراف گسترش می یابد. الکترون های خورشیدی توسط میدان الکتریکی منعکس می شوند (مانند فوتون های یک بادبان خورشیدی سنتی). کشتی را می توان با تنظیم بار الکتریکی سیم ها هدایت کرد. بادبان برقی دارای 50 تا 100 سیم صاف به طول حدود 20 کیلومتر است.
از چه ساخته شده است؟
مواد توسعه یافته برای بادبان خورشیدی Drexler یک فیلم آلومینیومی نازک به ضخامت 0.1 میکرومتر است. همانطور که انتظار می رفت، استحکام و قابلیت اطمینان کافی برای استفاده در فضا نشان داده است، اما نه برای تاشو، پرتاب و استقرار.
متداول ترین متریال در طرح های مدرن، فیلم آلومینیومی "Kapton" به اندازه 2 میکرون است. در برابر دمای بالا در نزدیکی خورشید مقاومت می کند و به اندازه کافی قوی است.
برخی موارد نظری وجود داشتحدس و گمان در مورد استفاده از تکنیک های ساخت مولکولی برای ایجاد یک بادبان پیشرفته، قوی و فوق سبک بر اساس شبکه های پارچه نانولوله ای که در آن "شکاف" بافته شده کمتر از نصف طول موج نور است. چنین ماده ای فقط در آزمایشگاه ساخته شده است و هنوز ابزاری برای تولید در مقیاس صنعتی در دسترس نیست.
بادبان سبک چشم انداز بزرگی را برای سفرهای بین ستاره ای باز می کند. البته هنوز سوالات و مشکلات زیادی وجود دارد که باید قبل از اینکه سفر در جهان با چنین طراحی فضاپیما به امری رایج برای بشر تبدیل شود، با آنها روبرو شد.
