Schematische Darstellung der Flugbahnen eines Fahrzeugs mit einem Airbrush-Sonnensegel beim Start aus einer geostationären Umlaufbahn
Physiker analysierten theoretisch die Eigenschaften und Fähigkeiten von Raumfahrzeugen, deren Bewegung ein Airbrush-Solarsegel liefert. Es stellte sich heraus, dass solche Geräte sowohl zu Flügen innerhalb des Sonnensystems als auch zu interstellaren Reisen ohne zusätzlichen Schub in der Lage sind und mit einer Metergröße und einer Eigenmasse von etwa einem Gramm eine zehnmal größere Last tragen. Dennoch ist es in der Praxis bisher nicht gelungen, derart große Airbrush-Strukturen zu realisieren. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
Ein Sonnensegel ist ein Gerät, das ein Raumfahrzeug durch den Druck elektromagnetischer Strahlung (normalerweise von der Sonne oder einem Laser) antreibt. Trifft Strahlung auf die Oberfläche des Segels, übertragen einzelne Photonen ihren Impuls darauf und stoßen so das Segel von der Lichtquelle weg. Vorausgesetzt, die Segelfläche ist groß genug (um mehr Photonen einzufangen) und die Masse klein genug (um eine große Geschwindigkeitszunahme für einen bestimmten Impulszuwachs zu erzielen), kann das Gerät das Raumfahrzeug ohne zusätzlichen Schub bewegen (mehr über das Gerät und die Entstehungsgeschichte solcher Geräte finden Sie im Material "In vollen Segeln").
Eine der Haupteinschränkungen für Sonnensegel ist der schwache Sonnendruck in großen Entfernungen vom Stern. Dieser Wert nimmt umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ab: Wenn der Druck in der Nähe der Merkurbahn etwa 60 Mikropascal beträgt (dh auf jeden Quadratmeter des Segels wirkt eine Kraft von 60 Millionstel Newton), dann in in der Region der Erde nimmt es auf neun Mikropascal ab und an den Grenzen des Sonnensystems wird es sogar zig Milliarden Mal weniger. Infolgedessen werden Langstreckenflüge (in Bezug auf die Entfernung zur Sonne) mit Hilfe eines Sonnensegels schwierig: Es ist entweder erforderlich, Zeit zu haben, um das Gerät in der Anfangsphase des Fluges zu beschleunigen, während es relativ ist in der Nähe des Sterns, oder Laseranlagen zu verwenden, die dafür die Sonnenstrahlung ersetzen würden, oder auf zusätzliche Traktionsquellen zurückzugreifen - all dies bringt in irgendeiner Weise technische Schwierigkeiten mit sich.
Physiker aus Deutschland, Spanien, den USA und Frankreich unter der Leitung von René Heller vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung haben ihr Aussehen als kompaktes Raumschiff auf Basis eines Sonnensegels überprüft und seine Fähigkeiten im Rahmen der vorgeschlagenen Missionen theoretisch bewertet.
Als Anpassungsmaterial schlugen die Wissenschaftler die Verwendung von Airbrush vor - eine synthetische Substanz aus röhrenförmigen Kohlefasern, die eine rekordverdächtig niedrige Dichte aufweist: 0,18 Kilogramm pro Kubikmeter - 5,5 Tausend Mal leichter als Wasser. Um gleichzeitig eine für einen effektiven Flug ausreichende Fläche der von der Sonne bestrahlten Oberfläche und eine geringe Masse des Apparates zu erreichen, wählten die Autoren für das Segel eine Hohlkugelform. Laut den Forschern wird das Segel dank der Fähigkeit von Airbrush, nach dem Zusammendrücken seine Form wiederzuerlangen, in der Praxis wahrscheinlich bequem in den Weltraum befördert, wenn es gefaltet und entfaltet wird.
Um die Fähigkeit des Geräts zu beurteilen, sich innerhalb des Sonnensystems zu bewegen und darüber hinauszugehen, simulierten die Wissenschaftler seine Bewegung unter dem Einfluss von Sonnenstrahlung und Gravitationsanziehung numerisch - zunächst zum Stern selbst und in Szenarien, in denen der Ausgangspunkt von die Flugbahn befand sich in der Nähe unseres Planeten - auch zur Erde.
Flugbahnen eines Raumfahrzeugs mit einem Airbrush-Sonnensegel, das von der ISS-Umlaufbahn bei unterschiedlichen Verhältnissen zwischen Masse und Querschnitt gestartet wurde. Grüne Flugbahnen - offen, schwarz - geschlossen (das Gerät kollidiert mit der Erde)
Außerdem untersuchten Physiker das Verhalten des Segels bei Verwendung einer zusätzlichen Last, beispielsweise eines kompakten Lasers zur Kommunikation mit der Erde. Die Autoren konzentrierten ihr Augenmerk auf den Bereich der Nutzlastmassen in Einheiten bis zu mehreren zehn Gramm: So überschritt die Gesamtmasse des Fahrzeugs nicht die obere Schwelle, ab der die Schwerkraft den leichten Druck überwindet, und die Lastmasse ging nicht über die untere hinaus Grenzen, die für moderne elektronische Geräte typisch sind.
Als Ergebnis fanden die Forscher heraus, dass das Segel bei einer Kugelschalendicke von weniger als 1 Millimeter grundsätzlich nur aufgrund der Sonnenstrahlung (beim Start im interplanetaren Medium) in der Lage ist, innerhalb des Sonnensystems zu fliegen und in den interstellaren Raum zu gelangen. Bei einer Dicke von 0,5 Millimetern dauert die Reise von der Erdumlaufbahn zur Marsbahn etwa 60 Tage, bis zur Umlaufbahn von Pluto - etwa 4,3 Jahre, und bei einer Dicke von etwa einem Mikrometer und einem Start in einer Entfernung von 0,04 astronomischen Einheiten von der Sonne (es ist geplant, dass sich genau die Sonnensonde "Parker" dem Stern in dieser Entfernung nähert) wird das Segel in 185 Jahren Proxima Centauri, den sonnennächsten Stern, erreichen können.
Geräte mit einer Dicke von einhundert Mikrometern und einem Radius von 1–5 Metern werden es auch ermöglichen, eine Last von bis zu 5, 7–55 Gramm mit einem Eigengewicht von 0,23–2, 2. in das interstellare Medium zu transportieren Gramm - das heißt, das Gewicht der Ladung kann das Zehnfache der Masse des Segels betragen, während bei interstellaren Fahrzeugen mit chemischen Treibstoffen die typische Nutzlast Tausendstel der Gesamtmasse beträgt. Aufgrund dieser Eigenschaften können Airbrush-Sonnensegel als vielversprechendes Gerät für zukünftige Flüge innerhalb unseres Sternensystems und insbesondere für die Untersuchung seiner Grenzen und der unmittelbaren Umgebung - beispielsweise der Suche nach dem neunten Planeten - angesehen werden.
Gleichzeitig stellen Physiker fest, dass in der Praxis noch keine ausreichend großen Airbrush-Strukturen hergestellt wurden - die Autoren moderner Studien beschränkten sich hauptsächlich auf eine Größe von mehreren Zentimetern. Trotzdem scheint die Herstellung meterlanger Airbrush-Segel grundsätzlich möglich. Darüber hinaus schlagen Wissenschaftler vor, große Multi-Meter-Segel für den echten Flug durch mehrere Ein-Meter-Segel zu ersetzen. Trotz der Tatsache, dass dadurch der Gesamtdruck der Sonneneinstrahlung (durch die Verringerung der wirksamen Fläche) verringert wird, ist es möglich, die Erstellung, Lieferung in den Weltraum und das Ausbringen des Segels zu vereinfachen sowie die Zuverlässigkeit des Geräts zu erhöhen: wenn eine Kugel aus dem Set ist beschädigt, der Rest treibt die Apparatur weiter an.
Auch die Frage des Manövrierens und Anpassens der Flugbahn eines Apparats mit einem Sonnensegel bleibt offen - der Flug der Kugeln selbst ist unkontrollierbar, und es müssen zusätzliche Geräte verwendet werden, um die Route zu ändern.
In letzter Zeit haben Solarsegel ihre Wirksamkeit nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis bewiesen. Im Mai sprachen wir darüber, wie ein Sonnensegel aus Graphen mit einem Laser abhob, und letztes Jahr sprachen wir darüber, wie ein solches Gerät der Raumsonde LightSail-2 half, die Höhe ihrer Umlaufbahn zu erhöhen.
