Żeglowanie przez kosmos.

Kontynuuję temat o perspektywach podróży międzyplanetarnych. Dziś będzie o eleganckiej koncepcji żagla słonecznego.

Zacznijmy od tego, że światło wywiera pewne niewielkie ciśnienie. W okolicach Ziemi, lecz poza atmosferą, wynosi ono 4.57×10−6 N/m2 – czyli na kilometr kwadratowy powierzchni około pół kilograma. Oczywiście chodzi o światło Słońca.

Dociekliwym wyjaśnię iż jest to jeden z aspektów tak zwanego dualizmu korpuskularno-falowego. Ten kanciasty termin oznacza iż światło możemy rozpatrywać bądź jako falę (elektromagnetyczną) bądź jako strumień cząstek zwanych fotonami. Ta dwoista natura nie tyczy się li tylko światła, ale tak naprawdę całej materii, ale to już szersze zagadnienie. A zresztą – przecież to chyba było na lekcjach fizyki w szkole … 😉

W tym przypadku właśnie fotony, obdarzone malutką masą, lecące z prędkością światła (oczywiście), uderzają w powierzchnię przekazując pęd, z a co za tym idzie – wywierając siłę. W przypadku gdy powierzchnia jest zwierciadlana, czyli odbijająca – ta siła nacisku jest nawet dwa razy większa. 

Ciśnienie światła jest zatem niewielkie, lecz wystarczyło by powstała idea, którą opiszę. 

Wynalazek żagla słonecznego pochodzi z połowy lat sześćdziesiątych i jest przypisywany Arthur’owi C. Clarke. Nad wykorzystaniem światła słonecznego do napędu statków kosmicznych rozmyślał już ongiś Konstanty Ciołkowski.

Łatwo oszacować iż nawet z kilometrów kwadratowych żagla osiągniemy ciąg zaledwie kilogramów. Niewiele. Ale można tym rozpędzać statek kosmiczny przez okres wielu miesięcy a nawet lat. Co w końcu da całkiem przyzwoite prędkości. (  Podobnie jak w przypadku opisywanych wcześniej, silników jonowych  )

Elegancja kryje się w prostocie. Nie potrzeba skomplikowanych urządzeń napędowych, dodatkowych źródeł energii ani zbiorników substancji pędnej …

Pozostaje jednak wielkie wyzwanie dla inżynierów. A w szczególności dotyczy to inżynierii materiałowej. 

Niestety, dalej od Słońca skuteczność żagla będzie malała. Wraz z kwadratem odległości. Tak więc na orbicie Marsa będzie ze dwa razy mniejsza niż przy Ziemi. W rejonie asteroid – kilka razy mniejsza. To ogranicza jego zastosowanie.

Pierwsze projekty.

Większość pierwszych projektów prześladował pech. Albo rakieta nie weszła na orbitę (Kosmos -1) względnie nie dało się skutecznie rozwinąć żagla (który podczas startu musiał być spakowany).

W końcu przyszły sukcesy.

Japoński próbnik IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun).

Wysłany w maju 2010 razem z japońską sondą Wenus. Misja sondy niezbyt się udała, ale Ikaros wykonał swoje zadanie. W grudniu 2010 minął Wenus w odległości 81 tysięcy kilometrów. 

Ten kosmiczny jacht ma kształt kwadratowego latawca o boku 14 metrów, wykonanego z cienkiej (0.0075 mm) folii poliamidowej pokrytej cieniutką warstewką aluminium 80 nm. Dla utrzymania kształtu został wprowadzony w  ruch wirowy.

Rozmiary żagla są niewielkie, niewielka też jest siła świetlnego ciągu. Coś około 1,12 mN. Wystarczyło do udanego eksperymentu, tym bardziej iż żagiel działał przez wiele miesięcy. 

NanoSail-D – eksperyment NASA.

Eksperyment rozpoczął się w styczniu 2011. Na orbicie wokółziemskiej, na wysokości 650 km.  Wysłany przez NASA (jeszcze w grudniu 2010) żagiel został rozłożony.

Jest  mniejszy niż wcześniej opisywany żagiel japoński. Ma tylko niecałe 10 m². Wykonany z super lekkiego polimeru CP-1, o grubości 7.5 mikrona. Czyli podobnej jak japoński Ikaros.

No i jest wiadomość dla fotografów amatorów: nagroda 500 dolarów oraz nagroda pocieszenia w wysokości 200 dolarów za fotografię tego sputnika. Bywa widoczny gołym okiem, można użyć teleobiektywu. nanosail.org/

Parę fotografii już nadesłano: www.spaceweather.com/nanosail/gallery.php

Problem inżynieryjny.

Wyobrażmy sobie kwadratowy żagiel słoneczny o boku jednego kilometra. Powierzchnia jednego kilometra kwadratowego (milion metrów kwadratowych !) pozwoli na uzyskanie siły ciągu niecałego kilograma. Oczywiście jeśli będzie srebrzysty jak lustro. Całkowicie czarny dał by tylko połowę tego.

Materiał, z którego go wykonamy musi wytrzymać transport na orbitę oraz proces rozłożenia (jako że podczas transportu będzie złożony). Musi też wytrzymać pewne przeciążenia przy cumowaniu i odwracaniu.

Obecnie używane folie polimerowe mają masę 5-12 gramów na metr kwadratowy. Czyli masa takiego żagla, jak by nie szacować wynosiła by co najmniej kilka ton.

No więc taka relacja masy do ciągu nie wygląda zbyt korzystnie …

Nadzieja tkwi w nanotechnologii. Myślę o przyszłościowych materiałach opartych na fulerenach, nanorurkach bądź grafenie. Szacuje się iż wykonana z nich folia mogły by mieć masę poniżej 0,1 grama na metr kwadratowy. Czyli masa takiego żagla wynosiła by już tylko 100 kg albo i mniej. To już dużo lepiej. 

Spróbuję zatem je opisać.

Najtwardszym i najmocniejszym ze znanych materiałów jest diament. Ze szkoły wiemy iż jest to, po prostu, krystaliczny węgiel, którego atomy są pokładane w szczególny sposób.

Wiązania pomiędzy atomami węgla są tu bardzo mocne.

A gdyby poukładać te atomy trochę inaczej ? Okazuje się, że można. Cały czas będzie to węgiel, tyle że inne jego odmiany. Tak zwane allotropowe, aby błysnąć mądrym słowem.

W ten sposób uzyskujemy fulereny, nanorurki a także legendarny grafen.

Charakterystyczne są te sześciokąty (wyjątkowo i pięciokąty). W ich wierzchołkach tkwią atomy węgla a kreski pokazują powiązania z kolejnymi atomami. Szacuje się iż te materiały są setki razy mocniejsze od stali.

Szczególnym przypadkiem jest płaski grafen. 

Niestety, jak do tej pory otrzymuje się zaledwie niewielkie ich ilości na skalę laboratoryjną. Problemem inżynieryjnym będzie opracowanie metod produkcji skalę przemysłową. 

I akurat w tej dziedzinie duży krok naprzód dokonali naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. W zeszłym roku opracowali technologię uzyskiwania płacht grafenu wysokiej jakości.

Dobrze było by wykorzystać ten sukces, chociaż moja opinia na temat polskiego establishment’u raczej nie pozostawia większych złudzeń.

   A być może, w nie tak odległej przyszłości, będą istnieć ogromne żagle słoneczne o średnicach wielu kilometrów wykonane z wielkich płacht cieniutkiej folii grafenowej, z napyloną warstewką aluminium (lub innego metalu), rozpięte na rusztowaniach wykonanych z pęków nanorurek. Lekkie duże i mocne. Tylko żeglować …
 

poprzednie teksty: 

pirx.nowyekran.pl/post/37841,bogactwa-kosmosu-dlaczego-nie-dla-nas 

pirx.nowyekran.pl/post/46298,latwa-podroz-na-inne-planety