A napvitorla egy módja annak, hogy egy csillag által kibocsátott könnyű nyomást és nagy sebességű gázokat (más néven napfénynyomást) meghajtsunk egy űrhajót. Nézzük meg közelebbről a készülékét.
A vitorla használata alacsony költségű űrutazást és meghosszabbított élettartamot jelent. A sok mozgó alkatrész hiánya, valamint a hajtóanyag használatának szükségessége miatt egy ilyen hajó potenciálisan újrafelhasználható rakomány szállítására. Néha a fény vagy foton vitorla elnevezést is használják.
Koncepciós történet
Johannes Kepler egyszer észrevette, hogy az üstökös farka eltekint a Naptól, és azt javasolta, hogy ezt a hatást a csillag hozza létre. 1610-ben Galileinak írt levelében ezt írta: "Gondoskodjon a hajónak a napszellőhöz igazított vitorlával, és lesznek, akik fel merik fedezni ezt az űrt." Talán ezekkel a szavakkal pontosan az "üstökös farka" jelenségére ut alt, bár évekkel később publikációk jelentek meg ebben a témában.
James K. Maxwell a XIX. század 60-as éveiben publikálta az elektromágneses tér elméletét éssugárzás, amelyben megmutatta, hogy a fénynek van lendülete, és így nyomást gyakorolhat a tárgyakra. A Maxwell-egyenletek adják az elméleti alapot a könnyű nyomású mozgáshoz. Ezért már 1864-ben a fizikus közösségen belül és kívül is ismerték, hogy a napfény olyan impulzust hordoz, amely nyomást gyakorol a tárgyakra.
Először Pjotr Lebegyev demonstrálta kísérletileg a fénynyomást 1899-ben, majd Ernest Nichols és Gordon Hull 1901-ben hasonló független kísérletet végzett Nichols radiométerrel.
Albert Einstein egy másik megfogalmazást vezetett be, felismerve a tömeg és az energia egyenértékűségét. Most egyszerűen felírhatjuk p=E/c-t a lendület, az energia és a fénysebesség arányaként.
Svante Arrhenius 1908-ban megjósolta a napsugárzás nyomásának lehetőségét, amely élő spórákat hordozhat csillagközi távolságra, és ennek eredményeként a pánspermia fogalmát. Ő volt az első tudós, aki azt állította, hogy a fény képes tárgyakat mozgatni a csillagok között.
Friedrich Zander publikált egy tanulmányt, amely a napvitorla technikai elemzését is tartalmazza. Írt a "hatalmas és nagyon vékony tükörlapok használatáról" és "a napfény nyomásáról a kozmikus sebesség elérésére".
Az első formális projektek ennek a technológiának a kifejlesztésére 1976-ban kezdődtek a Jet Propulsion Laboratory-ban a Halley-üstökössel tervezett találkozási küldetés céljából.
Hogyan működik a napvitorla
A fény minden járműre hatással van a bolygó pályáján vagy azon belülbolygóközi tér. Például egy hagyományos űrszonda, amely a Mars felé tart, több mint 1000 km-re lenne a Naptól. Ezeket a hatásokat az 1960-as években, az első bolygóközi űrszonda óta figyelembe vették az űrutazási pályatervezésben. A sugárzás a jármű helyzetét is befolyásolja, ezt a tényezőt a hajó tervezésénél figyelembe kell venni. A napvitorlára ható erő legfeljebb 1 newton.
Ez a technológia kényelmes a csillagközi pályákon, ahol minden műveletet alacsony ütemben hajtanak végre. A könnyű vitorla erővektora a nap vonala mentén orientálódik, ami növeli a pálya energiáját és szögimpulzusát, aminek következtében a hajó távolabb kerül a Naptól. A pálya dőlésszögének megváltoztatásához az erővektor kívül esik a sebességvektor síkján.
Pozícióvezérlés
Egy űrszonda Attitude Control System (ACS) rendszere szükséges a kívánt pozíció eléréséhez és megváltoztatásához az Univerzumban való utazás során. A készülék beállított helyzete nagyon lassan változik, gyakran kevesebb mint napi egy fokkal a bolygóközi térben. Ez a folyamat sokkal gyorsabban megy végbe a bolygók pályáján. A napvitorlát használó jármű vezérlőrendszerének meg kell felelnie minden tájolási követelménynek.
A szabályozás az edény nyomásközéppontja és tömegközéppontja közötti relatív eltolással érhető el. Ez elérhető vezérlőlapátokkal, egyes vitorlák mozgatásával, vezérlőtömeg mozgatásával vagy fényvisszaverő cserévelképességek.
Az álló helyzethez az ACS-nek szüksége van ahhoz, hogy a nettó nyomatékot nullán tartsa. A vitorla erőnyomatéka nem állandó a pálya mentén. A naptól való távolság és a szög változása, ami korrigálja a vitorla tengelyét és eltéríti a tartószerkezet egyes elemeit, ami az erő és a nyomaték változását eredményezi.
Korlátozások
A napvitorla a Földtől 800 km-nél kisebb magasságban nem tud működni, mivel addig a távolságig a légellenállási erő meghaladja a könnyű nyomáserőt. Vagyis a napnyomás hatása gyengén észrevehető, és egyszerűen nem fog működni. A vitorlás fordulási sebességének kompatibilisnek kell lennie a pályával, ami általában csak a forgótárcsa konfigurációknál jelent problémát.
A működési hőmérséklet a napsugárzás távolságától, a szögtől, a visszaverődéstől, valamint az első és hátsó radiátoroktól függ. A vitorla csak ott használható, ahol a hőmérsékletet az anyagi határokon belül tartják. Általában elég közel használható a naphoz, körülbelül 0,25 AU, ha a hajót gondosan az ilyen körülményekre tervezték.
Konfiguráció
Eric Drexler egy prototípus napvitorlát készített különleges anyagból. Ez egy 30-100 nanométer vastagságú vékony alumínium fólia panellel ellátott keret. A vitorla forog, és állandó nyomás alatt kell lennie. Az ilyen típusú szerkezetek tömegegységenkénti területe nagy, ezért"ötvenszer gyorsabb" gyorsulás, mint a felhelyezhető műanyag fóliákon alapulóké. Ez egy négyzet alakú vitorla árbocokkal és ikervonalakkal a vitorla sötét oldalán. Négy egymást metsző árboc és egy a középpontra merőlegesen a vezetékek megtartásához.
Elektronikus dizájn
Pekka Janhunen feltalálta az elektromos vitorlát. Mechanikailag kevés a közös a hagyományos fénykialakítással. A vitorlákat a hajó körül sugárirányban elhelyezett kiegyenesített vezető kábelek (drótok) helyettesítik. Elektromos mezőt hoznak létre. Több tíz méterrel benyúlik a környező napszél plazmájába. A napelektronokat az elektromos tér tükrözi vissza (mint a fotonok egy hagyományos napvitorlán). A hajót a vezetékek elektromos töltésének szabályozásával lehet irányítani. Az elektromos vitorla 50-100 kiegyenesített vezetékkel rendelkezik, körülbelül 20 km hosszú.
Miből van?
A Drexler napvitorlájához kifejlesztett anyag egy vékony, 0,1 mikrométer vastag alumíniumfólia. Ahogy az várható volt, elég erősnek és megbízhatónak bizonyult az űrben való használatra, de az összecsukásra, kilövésre és telepítésre nem.
A modern formatervezés legelterjedtebb anyaga a 2 mikron méretű "Kapton" alumíniumfólia. Ellenáll a magas hőmérsékletnek a Nap közelében, és elég erős.
Volt néhány elméletispekulációk molekuláris gyártási technikák alkalmazásával egy fejlett, erős, ultrakönnyű vitorla létrehozására, amely nanocsőszövet rácsokon alapul, ahol a szövött "rések" kisebbek, mint a fény hullámhosszának fele. Ilyen anyagot csak laboratóriumban készítettek, és az ipari méretű gyártáshoz még nem állnak rendelkezésre eszközök.
A könnyű vitorla nagyszerű lehetőségeket nyit a csillagközi utazás előtt. Természetesen még mindig sok kérdéssel és problémával kell szembesülnünk, mielőtt az univerzumban egy ilyen űrhajó-kialakítás általánossá válna az emberiség számára.
