Una vela solare è un modo per spingere un veicolo spaziale utilizzando la pressione della luce e dei gas ad alta velocità (chiamati anche pressione della luce solare) emessi da una stella. Diamo un'occhiata più da vicino al suo dispositivo.
Usare una vela significa viaggiare nello spazio a basso costo combinato con una maggiore durata. A causa della mancanza di molte parti mobili, nonché della necessità di utilizzare propellente, una nave del genere è potenzialmente riutilizzabile per la consegna di carichi utili. A volte vengono utilizzati anche i nomi vela leggera o fotonica.
Storia concettuale
Johannes Kepler una volta notò che la coda di una cometa distoglie lo sguardo dal Sole e suggerì che fosse la stella a produrre questo effetto. In una lettera a Galileo del 1610 scrisse: "Fornisci alla nave una vela adatta alla brezza solare, e ci sarà chi osa esplorare questo vuoto". Forse, con queste parole, si riferiva proprio al fenomeno della "coda di cometa", sebbene parecchi anni dopo apparvero pubblicazioni sull'argomento.
James K. Maxwell negli anni '60 del XIX secolo pubblicò la teoria del campo elettromagnetico eradiazione, in cui ha mostrato che la luce ha slancio e quindi può esercitare pressione sugli oggetti. Le equazioni di Maxwell forniscono la base teorica per la locomozione a pressione leggera. Pertanto, già nel 1864, all'interno e all'esterno della comunità dei fisici si sapeva che la luce solare porta un impulso che esercita pressione sugli oggetti.
In primo luogo, Pyotr Lebedev dimostrò sperimentalmente la pressione della luce nel 1899, e poi Ernest Nichols e Gordon Hull condussero un esperimento indipendente simile nel 1901 usando il radiometro Nichols.
Albert Einstein ha introdotto una formulazione diversa, riconoscendo l'equivalenza di massa ed energia. Ora possiamo semplicemente scrivere p=E/c come il rapporto tra quantità di moto, energia e velocità della luce.
Svante Arrhenius predisse nel 1908 la possibilità che la radiazione solare trasportasse spore viventi su distanze interstellari e, di conseguenza, il concetto di panspermia. È stato il primo scienziato a sostenere che la luce può spostare gli oggetti tra le stelle.
Friedrich Zander ha pubblicato un articolo che includeva un'analisi tecnica della vela solare. Ha scritto dell'"uso di enormi e sottilissimi fogli di specchi" e della "pressione della luce solare per raggiungere le velocità cosmiche".
I primi progetti formali per sviluppare questa tecnologia iniziarono nel 1976 presso il Jet Propulsion Laboratory per una proposta missione di rendez-vous con la cometa di Halley.
Come funziona una vela solare
La luce colpisce tutti i veicoli nell'orbita del pianeta o dentrospazio interplanetario. Ad esempio, un veicolo spaziale convenzionale diretto a Marte sarebbe a più di 1.000 km di distanza dal Sole. Questi effetti sono stati presi in considerazione nella pianificazione della traiettoria del viaggio nello spazio sin dal primo veicolo spaziale interplanetario negli anni '60. Le radiazioni influiscono anche sulla posizione del veicolo e questo fattore deve essere preso in considerazione nella progettazione della nave. La forza sulla vela solare è di 1 newton o meno.
L'uso di questa tecnologia è conveniente nelle orbite interstellari, dove qualsiasi azione viene eseguita a un ritmo lento. Il vettore di forza della vela leggera è orientato lungo la linea del sole, il che aumenta l'energia dell'orbita e il momento angolare, facendo allontanare la nave dal sole. Per modificare l'inclinazione dell'orbita, il vettore forza è fuori dal piano del vettore velocità.
Controllo di posizione
Un sistema di controllo dell'assetto (ACS) di un veicolo spaziale è necessario per raggiungere e cambiare la posizione desiderata mentre si viaggia attraverso l'Universo. La posizione impostata dell'apparato cambia molto lentamente, spesso meno di un grado al giorno nello spazio interplanetario. Questo processo si verifica molto più velocemente nelle orbite dei pianeti. Il sistema di controllo di un veicolo che utilizza una vela solare deve soddisfare tutti i requisiti di orientamento.
Il controllo si ottiene mediante uno spostamento relativo tra il centro di pressione della nave e il suo centro di massa. Ciò può essere ottenuto con alette di controllo, spostamento di singole vele, spostamento di una massa di controllo o modifica del riflettenteabilità.
La posizione in piedi richiede che l'ACS mantenga la coppia netta a zero. Il momento di forza della vela non è costante lungo la traiettoria. Cambia con la distanza dal sole e l'angolo, che corregge l'asta della vela e devia alcuni elementi della struttura portante, determinando variazioni di forza e coppia.
Restrizioni
La vela solare non potrà funzionare ad un' altitudine inferiore a 800 km dalla Terra, poiché fino a questa distanza la forza di resistenza dell'aria supera la forza di pressione leggera. Cioè, l'influenza della pressione solare è debolmente evidente e semplicemente non funzionerà. La velocità di virata della nave a vela deve essere compatibile con l'orbita, che di solito è solo un problema per le configurazioni dei dischi rotanti.
La temperatura di esercizio dipende dalla distanza solare, dall'angolo, dalla riflettività e dai radiatori anteriori e posteriori. La vela può essere utilizzata solo dove la temperatura è mantenuta entro i limiti del materiale. Può essere generalmente utilizzato abbastanza vicino al sole, intorno a 0,25 UA, se la nave è progettata con cura per quelle condizioni.
Configurazione
Eric Drexler ha realizzato un prototipo di vela solare con un materiale speciale. Si tratta di un telaio con un pannello di sottile pellicola di alluminio con uno spessore da 30 a 100 nanometri. La vela ruota e deve essere costantemente sotto pressione. Questo tipo di struttura ha un'area elevata per unità di massa e quindiaccelerazione "cinquanta volte più veloce" di quelle basate su film plastici dispiegabili. È una vela quadrata con alberi e linee gemelle sul lato oscuro della vela. Quattro alberi che si intersecano e uno perpendicolare al centro per tenere i cavi.
Design elettronico
Pekka Janhunen ha inventato la vela elettrica. Meccanicamente, ha poco in comune con il tradizionale design delle luci. Le vele sono sostituite da cavi conduttivi raddrizzati (fili) disposti radialmente attorno alla nave. Creano un campo elettrico. Si estende per diverse decine di metri nel plasma del vento solare circostante. Gli elettroni solari vengono riflessi dal campo elettrico (come i fotoni su una tradizionale vela solare). La nave può essere governata regolando la carica elettrica dei fili. La vela elettrica ha 50-100 fili raddrizzati, lunghi circa 20 km.
Di cosa è fatto?
Il materiale sviluppato per la vela solare di Drexler è una sottile pellicola di alluminio spessa 0,1 micrometri. Come previsto, ha dimostrato forza e affidabilità sufficienti per l'uso nello spazio, ma non per il ripiegamento, il lancio e il dispiegamento.
Il materiale più comune nei design moderni è la pellicola di alluminio "Kapton" di 2 micron. Resiste alle alte temperature vicino al sole ed è abbastanza forte.
C'erano alcuni aspetti teoricispeculazioni sull'applicazione di tecniche di produzione molecolare per creare una vela avanzata, resistente e ultraleggera basata su griglie di tessuto di nanotubi in cui gli "spazi" intrecciati sono meno della metà della lunghezza d'onda della luce. Tale materiale è stato creato solo in laboratorio e i mezzi per la produzione su scala industriale non sono ancora disponibili.
La vela leggera apre grandi prospettive per i viaggi interstellari. Naturalmente, ci sono ancora molte domande e problemi che dovranno essere affrontati prima che viaggiare attraverso l'universo con un tale progetto di astronave diventi una cosa comune per l'umanità.
