'n Sonseil is 'n manier om 'n ruimtetuig aan te dryf deur gebruik te maak van die druk van lig en hoëspoedgasse (ook genoem sonligdruk) wat deur 'n ster vrygestel word. Kom ons kyk na sy toestel van naderby.
Om 'n seil te gebruik beteken laekoste-ruimtereise gekombineer met verlengde lewensduur. Weens die gebrek aan baie bewegende onderdele, asook die behoefte om dryfmiddel te gebruik, is so 'n skip moontlik herbruikbaar vir die aflewering van loonvragte. Die name lig of foton seil word ook soms gebruik.
Konsepstorie
Johannes Kepler het eenkeer opgemerk dat die stert van 'n komeet wegkyk van die Son, en het voorgestel dat dit die ster is wat hierdie effek produseer. In 'n brief aan Galileo in 1610 het hy geskryf: "Voorsien die skip van 'n seil wat by die sonbriesie aangepas is, en daar sal diegene wees wat dit waag om hierdie leemte te verken." Miskien het hy met hierdie woorde juis verwys na die verskynsel van die "komeetstert", hoewel publikasies oor hierdie onderwerp etlike jare later verskyn het.
James K. Maxwell het in die 60's van die XIX eeu die teorie van die elektromagnetiese veld enstraling, waarin hy gewys het dat lig momentum het en dus druk op voorwerpe kan uitoefen. Maxwell se vergelykings verskaf die teoretiese basis vir ligte drukbeweging. Daarom was dit so vroeg as 1864 binne en buite die fisika-gemeenskap bekend dat sonlig 'n impuls dra wat druk op voorwerpe uitoefen.
Eers het Pyotr Lebedev eksperimenteel die druk van lig in 1899 gedemonstreer, en daarna het Ernest Nichols en Gordon Hull 'n soortgelyke onafhanklike eksperiment in 1901 met die Nichols-radiometer uitgevoer.
Albert Einstein het 'n ander formulering bekendgestel, wat die ekwivalensie van massa en energie erken het. Nou kan ons eenvoudig p=E/c skryf as die verhouding tussen momentum, energie en spoed van lig.
Svante Arrhenius het in 1908 die moontlikheid voorspel van druk van sonstraling wat lewende spore oor interstellêre afstande dra, en, as gevolg daarvan, die konsep van panspermia. Hy was die eerste wetenskaplike wat beweer het dat lig voorwerpe tussen sterre kan beweeg.
Friedrich Zander het 'n referaat gepubliseer wat 'n tegniese ontleding van die sonseil bevat. Hy het geskryf oor "die gebruik van groot en baie dun velle spieëls" en "die druk van sonlig om kosmiese snelhede te bereik."
Die eerste formele projekte om hierdie tegnologie te ontwikkel het in 1976 by die Jet Propulsion Laboratory begin vir 'n voorgestelde ontmoetingsmissie met Halley's Comet.
Hoe werk 'n sonseil
Lig affekteer alle voertuie in die wentelbaan van die planeet of binneinterplanetêre ruimte. Byvoorbeeld, 'n konvensionele ruimtetuig op pad na Mars sal meer as 1 000 km van die Son af wees. Hierdie effekte is sedert die heel eerste interplanetêre ruimtetuig in die 1960's in ruimtereisbaanbeplanning in ag geneem. Straling beïnvloed ook die posisie van die voertuig, en hierdie faktor moet in ag geneem word in die ontwerp van die skip. Die krag op die sonseil is 1 newton of minder.
Die gebruik van hierdie tegnologie is gerieflik in interstellêre bane, waar enige aksie teen 'n lae pas uitgevoer word. Die ligte seil se kragvektor is langs die son se lyn georiënteer, wat die wentelbaan se energie en hoekmomentum verhoog, wat veroorsaak dat die skip verder weg van die son af beweeg. Om die inklinasie van die wentelbaan te verander, is die kragvektor uit die vlak van die snelheidsvektor.
Posisiebeheer
'n Ruimtetuig se Houdingsbeheerstelsel (ACS) is nodig om die verlangde posisie te bereik en te verander terwyl dit deur die Heelal reis. Die ingestelde posisie van die apparaat verander baie stadig, dikwels minder as een graad per dag in interplanetêre ruimte. Hierdie proses vind baie vinniger in die bane van die planete plaas. Die beheerstelsel vir 'n voertuig wat 'n sonseil gebruik, moet aan alle oriëntasievereistes voldoen.
Beheer word verkry deur 'n relatiewe verskuiwing tussen die vaartuig se drukmiddelpunt en sy massamiddelpunt. Dit kan bereik word met beheer van wiele, die beweging van individuele seile, die beweging van 'n beheermassa, of die verandering van die reflektiewevermoëns.
Staanposisie vereis ACS om netto wringkrag op nul te handhaaf. Die kragmoment van die seil is nie konstant langs die trajek nie. Verander met afstand vanaf die son en hoek, wat die as van die seil regstel en sommige elemente van die ondersteunende struktuur afbuig, wat veranderinge in krag en wringkrag tot gevolg het.
Beperkings
Die sonseil sal nie op 'n hoogte laer as 800 km vanaf die Aarde kan werk nie, aangesien die lugweerstandskrag tot op hierdie afstand die ligdrukkrag oorskry. Dit wil sê, die invloed van sondruk is swak sigbaar, en dit sal eenvoudig nie werk nie. Die draaitempo van die seilvaartuig moet versoenbaar wees met die wentelbaan, wat gewoonlik net 'n probleem is vir draaiskyfkonfigurasies.
Bedryfstemperatuur hang af van sonafstand, hoek, reflektiwiteit en voor- en agterstralers. Die seil kan slegs gebruik word waar die temperatuur binne sy materiaalgrense gehou word. Dit kan oor die algemeen redelik naby aan die son gebruik word, ongeveer 0,25 AE, as die skip noukeurig vir daardie toestande ontwerp is.
Konfigurasie
Eric Drexler het 'n prototipe sonseil van 'n spesiale materiaal gemaak. Dit is 'n raam met 'n paneel van dun aluminiumfilm met 'n dikte van 30 tot 100 nanometer. Die seil draai en moet voortdurend onder druk wees. Hierdie tipe struktuur het 'n hoë oppervlakte per eenheid massa en dusversnelling "vyftig keer vinniger" as dié wat op ontplooibare plastiekfilms gebaseer is. Dit is 'n vierkantige seil met maste en tweelinglyne aan die donker kant van die seil. Vier kruisende maste en een loodreg op die middel om die drade vas te hou.
Elektroniese ontwerp
Pekka Janhunen het die elektriese seil uitgevind. Meganies het dit min in gemeen met tradisionele ligontwerp. Die seile word vervang deur reguit geleidende kabels (drade) wat radiaal om die skip gerangskik is. Hulle skep 'n elektriese veld. Dit strek etlike tientalle meters tot in die plasma van die omliggende sonwind. Sonelektrone word deur die elektriese veld gereflekteer (soos fotone op 'n tradisionele sonseil). Die skip kan bestuur word deur die elektriese lading van die drade te reguleer. Die elektriese seil het 50-100 reguit drade, ongeveer 20 km lank.
Waarvan is dit gemaak?
Die materiaal wat vir Drexler se sonseil ontwikkel is, is 'n dun aluminiumfilm wat 0,1 mikrometer dik is. Soos verwag, het dit voldoende sterkte en betroubaarheid getoon vir gebruik in die ruimte, maar nie vir vou, lansering en ontplooiing nie.
Die mees algemene materiaal in moderne ontwerpe is aluminiumfilm "Kapton" 2 mikron groot. Dit weerstaan hoë temperature naby die Son en is sterk genoeg.
Daar was 'n paar teoretiesespekulasie oor die toepassing van molekulêre vervaardigingstegnieke om 'n gevorderde, sterk, ultra-ligte seil te skep wat gebaseer is op nanobuisstofroosters waar die geweefde "gapings" minder as die helfte van die golflengte van lig is. So 'n materiaal is slegs in die laboratorium geskep, en die middele om op 'n industriële skaal te vervaardig is nog nie beskikbaar nie.
Die ligte seil maak groot vooruitsigte vir interstellêre reis oop. Natuurlik is daar nog baie vrae en probleme wat in die gesig gestaar sal moet word voordat reis deur die heelal met so 'n ruimtetuigontwerp 'n algemene ding vir die mensdom word.
