Saulės burė (fotonų burė) — erdvėlaivių varomoji jėga nuo saulės šviesos

Saulės burė (fotonų burė) – inovatyvi erdvėlaivių varomoji jėga, naudojanti saulės spinduliuotės slėgį: istorija, fizika ir praktiniai sprendimai tarpplanetiniams skrydžiams.

Saulės burės (arba šviesos burės, arba fotonų burės) - tai siūlomas erdvėlaivių varomosios jėgos būdas, kai naudojamas saulės šviesos spinduliuotės slėgis. Žodis "burė" vartojamas pagal analogiją su laivais, kurie judėjimui naudoja burę, kad panaudotų vėją. Pirmą kartą šią koncepciją XVII a. pasiūlė Johanesas Kepleris. Jis turėjo teoriją, kad bures galima pritaikyti "dangaus vėjams".

1865 m. Džeimsas Klerkas Maksvelas paskelbė elektromagnetinių laukų ir spinduliuotės teoriją. Jis įrodė, kad šviesa (viena iš elektromagnetinio spinduliavimo formų) gali slėgti objektą. Šis slėgis vadinamas spinduliavimo slėgiu. Tai suteikė pagrindą Saulės burių mokslui. Saulės spinduliuotė dėl atspindžio ir nedidelės sugertos dalies veikia burę.

Saulės slėgis veikia erdvėlaivius, esančius kosmose arba planetos orbitoje. Pavyzdžiui, į Marsą skrendantį tipinį erdvėlaivį Saulės slėgis perkelia už tūkstančių kilometrų. Poveikis numatomas planuojant. Tai daroma nuo pat pirmųjų tarpplanetinių erdvėlaivių, kurie buvo sukurti septintajame dešimtmetyje. Saulės slėgis taip pat turi įtakos erdvėlaivio orientacijai - šis veiksnys įtraukiamas į erdvėlaivių projektavimą.

Saulės burių koncepcija vėliau buvo panaudota mokslinėje fantastikoje, pavyzdžiui, Žiulio Verno kūriniuose.

Pagrindiniai fizikos principai

Saulės burė veikia spinduliavimo slėgio principu: fotonai, pataikę į atspindinčią ar sugeriančią plokštumą, perduoda momentą. Spinduliavimo slėgis netoli Žemės (1 astronominės vieneto, 1 AU) yra mažas, bet apčiuopiamas:

• Jei šviesa visiškai absorbuojama, slėgis apytiksliai p = S/c ≈ 4,54×10^-6 N/m² (S – Saulės konstantė ≈ 1361 W/m², c – šviesos greitis).
• Jei paviršius yra tobulas atspindintojas, smūgio slėgis dvigubėja iki maždaug 9,08×10^-6 N/m².

Istoriniai etapai ir eksperimentai

Be Keplerio ir Maksvelo, spinduliavimo slėgį eksperimentiškai matavo rusų fizikas P. Lebedevas XX a. pradžioje. Praktiniai Saulės burių demonstravimai yra palyginti vėlesni:

• JAXA misija IKAROS (2010 m.) pirmoji sėkmingai išskleidė didelę membraninę saulės burę ir demonstravo navigaciją naudojant burę.
• NanoSail-D ir Nanosail-D2 (NASA) parodė, kad mažos palydovinės burių plokštės gali būti išskleistos orbitose.
• The Planetary Society projektas LightSail (2015 ir LightSail 2 – 2019) sėkmingai demonstravo valdomą saulės buriavimą Žemės orbitoje.

Medžiagos ir konstravimo sprendimai

Saulės burėms reikalingos itin lengvos, plonos ir atspindinčios plėvelės bei standūs arba sulankstomi rėmai/strypai. Dažniausiai naudojami sprendimai:

• aluminizuotas Mylaras arba Kaptonas – pigūs ir patikrinti kosminėse misijose;
• ultralengvi kompozitai ir anglies pluoštai kaip stangrūs strypai;
• naujos kartos sprendimai – difraktinės (metapaviršiaus) burės, kurios valdomai sklaido fotonus, arba elektrochrominės medžiagos, keičiančios atspindį.

Valdymas ir manevravimas

Norint nukreipti jėgą iš burės, galima pasitelkti kelias priemones:

• burės pasukimas (orientacijos keitimas), kad jėga neveiktų tik vienoje ašyje;
• reakcinių ratų arba pavarų naudojimas tikslesniam kampų reguliavimui;
• judančios arba atskiriamos mažos „vėliavėlės“ (control vanes) burės krašte;
• keičiamo atspindžio technologijos, leidžiančios reguliuoti jėgos dydį be mechaninių judesių.

Privalumai ir ribojimai

Privalumai:

• nėra propulto kuro – tai sumažina masę ir leidžia ilgalaikius variklius be degalų;
• pastovus, nuoseklus pagreitis, kuris laike gali būti kaupiamas;
• tinka stacionariam pozicionavimui (pvz., stoties regiono palaikymas) arba ekologiškam palydovų išvedimui iš orbitos.

• mažas pradinis pagreitis, todėl greiti manevrai nėra įmanomi;
• efektyvumas mažėja didėjant atstumui nuo Saulės (slėgis mažėja kaip 1/r²);
• didelis jautrumas smulkioms kosmoso dalelėms ir degradacijai dėl spinduliuotės;
• reikalinga didelė burtės ploto ir jautrios išskleidimo sistemos.

Ateities idėjos ir pasiekimai

Saulės burės toliau tobulinamos, o tyrimai apima:

• difraktines burės ir metasurfacing technologijas, kurios gali padidinti valdymo galimybes;
• laizeriais valdomas burių propulsija (be Saulės šviesos) – idėjos, panašios į "Breakthrough Starshot", kur stiprūs žemės arba orbitiniai lazeriai galėtų pagreitinti mažus žyminius erdvėlaivius iki didelės frakcijos šviesos greičio;
• dideli, daugkenčių plėvelių projektai tarpplanetinėms arba net tarpžvaigždinėms misijoms.

Apibendrinant, saulės burės yra racionali, reali ir jau išbandyta technologija mažesniems ir vidutinio dydžio erdvėlaiviams bei ilgalaikėms misijoms. Jas lydi techniniai iššūkiai (medžiagos, išskleidimas, valdymas), tačiau moksliniai ir pramoniniai bandymai rodo, kad ši varomoji priemonė turi perspektyvą tiek Žemės orbitose, tiek tarpplanetinėse ir net tarpžvaigždinėse vizijose.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra saulės burė?

K: Kas pirmasis pasiūlė saulės burės koncepciją?

K: Ką paskelbė Jamesas Clerkas Maxwellas, kuris padėjo pagrindą saulės burių mokslui?

K: Kaip Saulės slėgis veikia erdvėlaivius?

K: Kada planuojant tarpplanetines misijas pirmą kartą buvo atsižvelgta į šį poveikį?

K.: Kokiomis kitomis aplinkybėmis buvo naudojama Saulės burių sąvoka?

Paieška pagal raidę