Wir alle kennen die Idee von Sonnensegeln, um das Sonnensystem unter Verwendung des Lichtdrucks der Sonne zu erkunden. Aber es gibt noch ein anderes Antriebssystem, das die Kraft der Sonne nutzen könnte, elektrische Segel, und es ist eine ziemlich aufregende Idee.
Vor ein paar Wochen habe ich mich mit einer Frage befasst, die jemand zu meinen bevorzugten exotischen Antriebssystemen hatte, und ein paar Ideen, die ich aufregend finde: Rasselsegel, Atomraketen, Ionenmotoren usw. Aber es gibt immer noch ein anderes Antriebssystem, das immer wieder auftaucht und ich habe völlig vergessen zu erwähnen, aber es ist eine der besten Ideen, die ich seit einiger Zeit gehört habe: elektrische Segel.
Wie Sie wahrscheinlich wissen, nutzt ein Sonnensegel die Photonen des von der Sonne strömenden Lichts. Obwohl Photonen masselos sind, haben sie einen Impuls und können ihn übertragen, wenn sie von einer reflektierenden Oberfläche abprallen.
Neben dem Licht bläst die Sonne auch einen stetigen Strom geladener Teilchen ab - den Sonnenwind. Ein Team von Ingenieuren aus Finnland unter der Leitung von Dr. Pekka Janhunen hat vorgeschlagen, ein elektrisches Segel zu bauen, das diese Partikel verwendet, um Raumfahrzeuge in das Sonnensystem zu befördern.
Um zu verstehen, wie dies funktioniert, muss ich ein paar Konzepte in Ihr Gehirn stecken.
Erstens die Sonne. Dieser tödliche Strahlungsball am Himmel. Wie Sie wahrscheinlich wissen, gibt es einen stetigen Strom geladener Teilchen, hauptsächlich Elektronen und Protonen, die sich in alle Richtungen von der Sonne entfernen.
Astronomen sind sich nicht ganz sicher, wie, aber ein Mechanismus in der Korona der Sonne, ihrer oberen Atmosphäre, beschleunigt diese Teilchen mit einer Fluchtgeschwindigkeit. Ihre Geschwindigkeit variiert zwischen 250 und 750 km / s.
Der Sonnenwind wandert von der Sonne weg und in den Weltraum. Wir sehen seine Auswirkungen auf Kometen, geben ihnen ihre charakteristischen Schwänze und bilden eine Blase um das Sonnensystem, die als Heliosphäre bekannt ist. Hier trifft der Sonnenwind der Sonne auf die kollektiven Sonnenwinde der anderen Sterne in der Milchstraße.
Tatsächlich durchquerte das Raumschiff Voyager der NASA kürzlich diese Region und gelangte schließlich in den interstellaren Raum.
Der Sonnenwind verursacht zwar einen direkten Druck, wie ein tatsächlicher Wind, aber er ist unglaublich schwach, ein Bruchteil des leichten Drucks, den ein Sonnensegel erfährt.
Aber der Sonnenwind enthält einen Strom positiv geladener Protonen und Elektronen, und das ist der Schlüssel.
Ein elektrisches Segel rollt einen unglaublich dünnen Draht auf, der nur 25 Mikrometer dick, aber 20 Kilometer lang ist. Das Raumschiff ist mit Sonnenkollektoren und einer Elektronenkanone ausgestattet, deren Betrieb nur wenige hundert Watt benötigt.
Durch das Abschießen von Elektronen in den Weltraum behält das Raumschiff einen hochpositiv geladenen Zustand bei. Da die Protonen der Sonne ebenfalls positiv geladen sind, „sehen“ sie beim Auftreffen auf das positiv geladene Band ein riesiges Hindernis mit einem Durchmesser von 100 Metern und stoßen darauf.
Indem die Ionen ihren Impuls in die Leine und das Raumschiff übertragen, beschleunigen sie ihn von der Sonne weg.
Das Ausmaß der Beschleunigung ist sehr schwach, aber es ist ein konstanter Druck von der Sonne und kann sich über einen langen Zeitraum summieren. Wenn beispielsweise bei einem 1000 kg schweren Raumfahrzeug 100 dieser Drähte in alle Richtungen verlaufen, könnte es eine Beschleunigung von 1 mm pro Sekunde und Sekunde erhalten.
In der ersten Sekunde bewegt es sich 1 mm und in der nächsten Sekunde 2 mm usw. Im Laufe eines Jahres könnte dieses Raumschiff 30 km / s erreichen. Zum Vergleich: Das schnellste Raumschiff der Welt, die Voyager 1 der NASA, erreicht lediglich eine Geschwindigkeit von 17 km / s. Also viel schneller, definitiv mit einer Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem.
Einer der Nachteile der Methode ist, dass sie in der Erdmagnetosphäre nicht funktioniert. Ein elektrisches Raumschiff mit Segelantrieb müsste also von einer traditionellen Rakete von der Erde weggetragen werden, bevor es sein Segel entfalten und in den Weltraum fliegen kann.
Ich bin sicher, Sie fragen sich, ob dies eine einfache Fahrt ist, um der Sonne zu entkommen, aber das ist es eigentlich nicht. Genau wie bei Sonnensegeln kann ein elektrisches Segel geschwenkt werden. Je nachdem, auf welche Seite des Segels der Sonnenwind trifft, wird die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs von der Sonne aus entweder angehoben oder abgesenkt.
Wenn Sie das Segel auf einer Seite schlagen, heben Sie die Umlaufbahn an, um zum äußeren Sonnensystem zu gelangen. Sie können aber auch die andere Seite treffen und ihre Umlaufbahn senken, sodass sie in das innere Sonnensystem gelangen kann. Es ist ein unglaublich vielseitiges Antriebssystem und die Sonne erledigt die ganze Arbeit.
Obwohl dies wie Science-Fiction klingt, sind tatsächlich einige Tests in Arbeit. Ein estnischer Prototyp eines Satelliten wurde bereits 2013 gestartet, aber sein Motor konnte die Leine nicht abwickeln. Der finnische Satellit Aalto-1 wurde im Juni 2017 gestartet. Eines seiner Experimente besteht darin, ein elektrisches Segel zu testen.
Wir sollten später in diesem Jahr herausfinden, ob die Technik praktikabel ist.
Es sind nicht nur die Finnen, die über dieses Antriebssystem nachdenken. Im Jahr 2015 gab die NASA bekannt, dass sie Dr. Pekka Janhunen und seinem Team ein Stipendium für innovative fortgeschrittene Konzepte der Phase II gewährt haben, um zu untersuchen, wie diese Technologie verwendet werden kann, um das äußere Sonnensystem in kürzerer Zeit als andere Methoden zu erreichen.
Das Heliopause Electrostatic Rapid Transit System oder HERTS-Raumschiff würde 20 dieser elektrischen Kabel vom Zentrum nach außen verlängern und ein riesiges kreisförmiges elektrisches Segel bilden, um den Sonnenwind einzufangen. Durch langsames Drehen des Raumfahrzeugs dehnen die Zentrifugalkräfte die Leine in diese Kreisform aus.
Mit seiner positiven Ladung wirkt jedes Seil wie eine riesige Barriere gegen den Sonnenwind und verleiht dem Raumschiff eine effektive Oberfläche von 600 Quadratkilometern, sobald es von der Erde startet. Je weiter es von der Erde entfernt ist, desto größer wird seine effektive Fläche auf das Äquivalent von 1.200 Quadratkilometern, wenn es den Jupiter erreicht.
Wenn ein Sonnensegel an Leistung verliert, beschleunigt ein elektrisches Segel einfach weiter. Tatsächlich würde es weiter über die Umlaufbahn von Uranus hinaus beschleunigen.
Wenn die Technologie funktioniert, könnte die HERTS-Mission in nur 10 Jahren die Heliopause erreichen. Die Voyager brauchte 1 35 Jahre, um diese Entfernung zu erreichen, 121 astronomische Einheiten von der Sonne entfernt.
Aber was ist mit der Lenkung? Durch Ändern der Spannung an jedem Draht während der Drehung des Raumfahrzeugs kann das gesamte Segel auf der einen oder anderen Seite anders als der Sonnenwind interagieren. Sie könnten das gesamte Raumschiff wie die Segel auf einem Boot steuern.
Im September 2017 kündigte ein Forscherteam des Finnischen Meteorologischen Instituts eine ziemlich radikale Idee an, wie sie mit elektrischen Segeln den Asteroidengürtel umfassend erkunden könnten.
Anstelle eines einzelnen Raumfahrzeugs schlugen sie vor, eine Flotte von 50 separaten 5-kg-Satelliten zu bauen. Jeder würde sein eigenes 20 km langes Seil abwickeln und den Sonnenwind der Sonne einfangen. Während einer dreijährigen Mission reiste das Raumschiff zum Asteroidengürtel und besuchte mehrere verschiedene Weltraumfelsen. Die gesamte Flotte könnte wahrscheinlich 300 verschiedene Objekte erkunden.
Jedes Raumschiff wäre mit einem kleinen Teleskop mit nur einer Öffnung von 40 mm ausgestattet. Das ist ungefähr so groß wie ein Spektiv oder ein halbes Fernglas, aber es würde ausreichen, um Merkmale auf der Oberfläche eines Asteroiden mit einem Durchmesser von nur 100 Metern aufzulösen. Sie hätten auch ein Infrarotspektrometer, um bestimmen zu können, aus welchen Mineralien jeder Asteroid besteht.
Auf diese Weise können Sie den 10 Billionen US-Dollar teuren Asteroiden aus festem Platin finden.
Da das Raumschiff zu klein wäre, um den ganzen Weg zurück zur Erde zu kommunizieren, müssten sie die Daten an Bord speichern und dann alles übertragen, sobald sie 3 Jahre später an unserem Planeten vorbeikommen.
Die Planetenforscher, mit denen ich gesprochen habe, lieben die Idee, so viele verschiedene Objekte gleichzeitig untersuchen zu können, und die Idee des elektrischen Segels ist eine der effizientesten Methoden, um dies zu tun.
Laut den Forschern könnten sie die Mission für etwa 70 Millionen US-Dollar durchführen und die Kosten für die Analyse jedes Asteroiden auf etwa 240.000 US-Dollar senken. Das wäre billig im Vergleich zu jeder anderen vorgeschlagenen Methode zur Untersuchung von Asteroiden.
Bei der Weltraumforschung werden traditionelle chemische Raketen eingesetzt, da diese bekannt und zuverlässig sind. Sicher, sie haben ihre Mängel, aber sie haben uns über das Sonnensystem in Milliarden Kilometer Entfernung von der Erde gebracht.
Es sind aber auch andere Antriebsformen in Arbeit, wie das elektrische Segel. Und in den kommenden Jahrzehnten werden immer mehr dieser Ideen auf die Probe gestellt. Ein kraftstofffreies Antriebssystem, das ein Raumschiff in die Außenbereiche des Sonnensystems befördern kann? Ja bitte.
Ich halte Sie auf dem Laufenden, wenn weitere elektrische Segel getestet werden.
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