ใบเรือสุริยะเป็นวิธีการขับเคลื่อนยานอวกาศโดยใช้แรงดันของแสงและก๊าซความเร็วสูง (เรียกอีกอย่างว่าแรงดันแสงสุริยะ) ที่ปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์ มาดูอุปกรณ์ของมันกันดีกว่า
การใช้ใบเรือหมายถึงการเดินทางในอวกาศที่มีต้นทุนต่ำพร้อมกับอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น เนื่องจากขาดชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้จำนวนมาก เช่นเดียวกับความจำเป็นในการใช้เชื้อเพลิงจรวด เรือดังกล่าวจึงสามารถนำมาใช้ซ้ำได้สำหรับการส่งมอบสินค้าบรรทุก บางครั้งชื่อแสงหรือโฟตอนก็ใช้
เรื่องแนวคิด
โยฮันเนส เคปเลอร์เคยสังเกตว่าหางของดาวหางมองออกไปจากดวงอาทิตย์ และบอกว่ามันคือดาวที่สร้างเอฟเฟกต์นี้ ในจดหมายที่ส่งถึงกาลิเลโอในปี ค.ศ. 1610 เขาเขียนว่า: "ให้เรือมีใบที่ปรับให้เข้ากับลมสุริยะ และจะมีผู้ที่กล้าสำรวจความว่างเปล่านี้" บางที ด้วยคำพูดเหล่านี้ เขาได้กล่าวถึงปรากฏการณ์ของ "หางดาวหาง" อย่างแม่นยำ แม้ว่าสิ่งพิมพ์ในหัวข้อนี้จะปรากฏขึ้นในอีกหลายปีต่อมา
James K. Maxwell ในยุค 60 ของศตวรรษที่ XIX ตีพิมพ์ทฤษฎีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและการแผ่รังสี ซึ่งเขาแสดงให้เห็นว่าแสงมีโมเมนตัมและสามารถกดดันวัตถุได้ สมการของแมกซ์เวลล์เป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการเคลื่อนที่ของแรงกดเบา ดังนั้นในปี พ.ศ. 2407 เป็นที่ทราบกันทั้งภายในและภายนอกชุมชนฟิสิกส์ว่าแสงแดดมีแรงกระตุ้นที่กดดันวัตถุ
อย่างแรก Pyotr Lebedev ได้ทดลองแสดงความดันของแสงในปี 1899 จากนั้น Ernest Nichols และ Gordon Hull ได้ทำการทดลองอิสระที่คล้ายกันในปี 1901 โดยใช้เรดิโอมิเตอร์ Nichols
Albert Einstein นำเสนอสูตรที่แตกต่าง โดยคำนึงถึงความเท่าเทียมกันของมวลและพลังงาน ตอนนี้เราสามารถเขียน p=E/c เป็นอัตราส่วนระหว่างโมเมนตัม พลังงาน และความเร็วของแสงได้
Svante Arrhenius ทำนายว่าในปี 1908 อาจมีแรงกดดันจากการแผ่รังสีดวงอาทิตย์ที่ส่งสปอร์ของสิ่งมีชีวิตในระยะทางระหว่างดวงดาว และด้วยเหตุนี้ แนวคิดของแพนสเปอร์เมีย เขาเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่อ้างว่าแสงสามารถเคลื่อนย้ายวัตถุระหว่างดวงดาวได้
Friedrich Zander ตีพิมพ์บทความซึ่งรวมถึงการวิเคราะห์ทางเทคนิคของใบเรือสุริยะ เขาเขียนเกี่ยวกับ "การใช้กระจกแผ่นใหญ่และบางมาก" และ "แรงกดดันของแสงแดดเพื่อให้ได้ความเร็วจักรวาล"
โครงการแรกอย่างเป็นทางการในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้เริ่มขึ้นในปี 1976 ที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory เพื่อเสนอภารกิจนัดพบกับ Halley's Comet
เรือเดินทะเลทำงานอย่างไร
แสงกระทบรถทุกคันในวงโคจรของโลกหรือในพื้นที่ระหว่างดาวเคราะห์ ตัวอย่างเช่น ยานอวกาศทั่วไปที่มุ่งหน้าไปยังดาวอังคารจะอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่า 1,000 กม. ผลกระทบเหล่านี้ได้รับปัจจัยในการวางแผนเส้นทางการเดินทางในอวกาศตั้งแต่ยานอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ดวงแรกในทศวรรษ 1960 การแผ่รังสียังส่งผลต่อตำแหน่งของยานเกราะ และปัจจัยนี้จะต้องนำมาพิจารณาในการออกแบบเรือด้วย แรงบนใบเรือสุริยะคือ 1 นิวตันหรือน้อยกว่า
การใช้เทคโนโลยีนี้สะดวกในวงโคจรระหว่างดวงดาว ที่ซึ่งการกระทำใดๆ จะดำเนินการด้วยความเร็วที่ต่ำ เวกเตอร์แรงของใบเรือเบามีทิศทางตามแนวดวงอาทิตย์ ซึ่งจะเพิ่มพลังงานของวงโคจรและโมเมนตัมเชิงมุม ทำให้เรือเคลื่อนตัวออกห่างจากดวงอาทิตย์มากขึ้น หากต้องการเปลี่ยนความเอียงของวงโคจร เวกเตอร์แรงจะออกจากระนาบของเวกเตอร์ความเร็ว
ควบคุมตำแหน่ง
ระบบควบคุมทัศนคติ (ACS) ของยานอวกาศเป็นสิ่งจำเป็นในการเข้าถึงและเปลี่ยนตำแหน่งที่ต้องการขณะเดินทางผ่านจักรวาล ตำแหน่งที่ตั้งไว้ของอุปกรณ์จะเปลี่ยนแปลงช้ามาก ซึ่งมักจะน้อยกว่าหนึ่งองศาต่อวันในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเร็วกว่ามากในวงโคจรของดาวเคราะห์ ระบบควบคุมสำหรับรถยนต์ที่ใช้ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการวางแนวทั้งหมด
การควบคุมทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ระหว่างจุดศูนย์กลางแรงกดของเรือกับจุดศูนย์กลางมวล สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยใบพัดควบคุม การเคลื่อนใบเรือแต่ละใบ การเคลื่อนย้ายมวลการควบคุม หรือการเปลี่ยนการสะท้อนแสงความสามารถ
ตำแหน่งยืนต้องใช้ ACS เพื่อรักษาแรงบิดสุทธิไว้ที่ศูนย์ โมเมนต์ของการแล่นเรือไม่คงที่ตลอดวิถี การเปลี่ยนแปลงตามระยะห่างจากดวงอาทิตย์และมุม ซึ่งจะแก้ไขเพลาใบเรือและเบี่ยงเบนองค์ประกอบบางอย่างของโครงสร้างรองรับ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในแรงและแรงบิด
ข้อจำกัด
ใบเรือสุริยะจะไม่สามารถทำงานได้ที่ระดับความสูงต่ำกว่า 800 กม. จากพื้นโลก เนื่องจากแรงต้านของอากาศในระยะทางนี้เกินแรงกดเบา นั่นคืออิทธิพลของแรงดันสุริยะนั้นสังเกตเห็นได้ชัดเจนเล็กน้อยและจะไม่ทำงาน อัตราการหมุนของเรือเดินทะเลจะต้องสอดคล้องกับวงโคจร ซึ่งมักจะเป็นปัญหาสำหรับการกำหนดค่าจานหมุนเท่านั้น
อุณหภูมิในการทำงานขึ้นอยู่กับระยะห่างของแสงอาทิตย์ มุม การสะท้อนแสง และหม้อน้ำด้านหน้าและด้านหลัง สามารถใช้ใบเรือได้เฉพาะในกรณีที่รักษาอุณหภูมิให้อยู่ในขีดจำกัดวัสดุเท่านั้น โดยทั่วไปสามารถใช้ได้ใกล้กับดวงอาทิตย์ประมาณ 0.25 AU หากเรือได้รับการออกแบบมาอย่างดีสำหรับเงื่อนไขเหล่านั้น
การกำหนดค่า
Eric Drexler สร้างเรือเดินทะเลต้นแบบจากวัสดุพิเศษ เป็นกรอบที่มีแผ่นฟิล์มอะลูมิเนียมบางๆ มีความหนา 30 ถึง 100 นาโนเมตร ใบเรือหมุนและต้องอยู่ภายใต้ความกดดันอย่างต่อเนื่อง โครงสร้างประเภทนี้มีพื้นที่ต่อหน่วยมวลสูง ดังนั้นอัตราเร่ง "เร็วกว่าห้าสิบเท่า" เมื่อเทียบกับฟิล์มพลาสติกที่ปรับใช้ได้ เป็นเรือสี่เหลี่ยมที่มีเสากระโดงและเส้นคู่ด้านมืดของใบเรือ เสาสี่เสาที่ตัดกันและเสาหนึ่งตั้งฉากกับศูนย์กลางเพื่อยึดสายไฟ
ออกแบบอิเล็กทรอนิกส์
เป๊กก้า จันฮูเนน ประดิษฐ์ใบเรือไฟฟ้า ในทางกลไกแล้ว มีความเหมือนกันเพียงเล็กน้อยกับการออกแบบแสงแบบดั้งเดิม ใบเรือถูกแทนที่ด้วยสายเคเบิลนำไฟฟ้าที่ยืดตรง (สายไฟ) ที่จัดเรียงเป็นแนวรัศมีรอบเรือ พวกเขาสร้างสนามไฟฟ้า มันขยายออกไปหลายสิบเมตรในพลาสมาของลมสุริยะโดยรอบ อิเล็กตรอนโซลาร์จะถูกสะท้อนโดยสนามไฟฟ้า (เช่นโฟตอนบนใบเรือสุริยะแบบดั้งเดิม) สามารถบังคับเรือได้โดยควบคุมประจุไฟฟ้าของสายไฟ เรือไฟฟ้ามีสายไฟยืดตรง 50-100 เส้น ยาวประมาณ 20 กม.
ทำมาจากอะไร
วัสดุที่พัฒนาขึ้นสำหรับเรือเดินทะเลของ Drexler คือฟิล์มอะลูมิเนียมบางๆ หนา 0.1 ไมโครเมตร ตามที่คาดไว้ มันได้แสดงให้เห็นความแข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือเพียงพอสำหรับการใช้งานในพื้นที่ แต่ไม่ใช่สำหรับการพับ เปิดตัว และปรับใช้
วัสดุที่นิยมใช้กันมากที่สุดในดีไซน์สมัยใหม่คือ ฟิล์มอะลูมิเนียม "แคปตัน" ขนาด 2 ไมครอน ทนต่ออุณหภูมิสูงใกล้ดวงอาทิตย์และแข็งแรงเพียงพอ
มีทฤษฎีบางอย่างการเก็งกำไรเกี่ยวกับการใช้เทคนิคการผลิตระดับโมเลกุลเพื่อสร้างใบเรือขั้นสูง แข็งแรง และเบาเป็นพิเศษ โดยใช้กริดผ้านาโนทิวบ์ที่ "ช่องว่าง" แบบทอมีความยาวคลื่นน้อยกว่าครึ่งของความยาวคลื่นของแสง วัสดุดังกล่าวถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการเท่านั้น และยังไม่มีวิธีการผลิตในระดับอุตสาหกรรม
เรือเบาเปิดโอกาสที่ยิ่งใหญ่สำหรับการเดินทางข้ามดวงดาว แน่นอนว่ายังมีคำถามและปัญหาอีกมากมายที่ต้องเผชิญก่อนที่จะเดินทางผ่านจักรวาลด้วยการออกแบบยานอวกาศดังกล่าวกลายเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับมนุษยชาติ
