Hoe ontwerp je een zeil dat een ruimtevaartuig naar een ander zonnestelsel kan vervoeren?
NASA-bureau Voyager 1 En de Voyager 2 De twee sondes, gelanceerd in de jaren zeventig, zijn nog steeds de enige door mensen gemaakte objecten die ons zonnestelsel verlaten. Hoewel het paar de verwachtingen heeft getrotseerd en nog steeds actief is, blijven onderzoekers nieuwe missies bedenken die verder kunnen gaan dan onze sterrenbuurt. Een van de technieken die bekend staat als a licht zeileen zeil dat wordt voortgestuwd door licht in plaats van wind, lijkt een veelbelovend middel om zo’n ambitieus doel te bereiken.
In twee nieuwe studies hebben onderzoekers ontdekt hoe je een licht zeil het beste kunt ontwerpen voor interstellaire reizen. Ze ontdekten dat zo’n zeil moet stromen en een netachtig patroon moet hebben en ze kwamen ook tot enkele conclusies over de beste materialen om te gebruiken.
Deze studies werden uitgevoerd als onderdeel van het Breakthrough Starshot Initiative, een onderzoeks- en engineeringproject gericht op het ontwikkelen van nieuwe ontwerpen voor een licht zeilaangedreven voertuig dat in staat is om naar Alpha Centaurionze naaste buren in het zonnestelsel.
Verwant: Een zonnezeil in de ruimte: bekijk geweldige uitzichten vanaf LightSail 2
Breakthrough Starshot is een project met Breakthrough Initiatives, een “groep van ruimtewetenschapsprogramma’s die fundamentele vragen over het leven in het universum onderzoekt”, aldus Breakthrough Starshot. website.
Breakthrough Starshot wil een lichtzeil ontwikkelen dat een sonde draagt ter grootte van een kleine wafer met 20% van de lichtsnelheid. Door dit hoge tempo zal de sonde Alpha Centauri over ongeveer 20 jaar bereiken, Volgens de verklaring.
Ter referentie: Alpha Centauri bevindt zich op ongeveer 4 lichtjaar van de aarde, en sommige experts Geschat wordt dat het met de huidige technologie minstens 6.300 jaar zal duren om het systeem te bereiken.
Wat is een licht zeil?
Lichte zeilen zijn geen sciencefiction en ook geen nieuw idee. Lichte zeilen, ook wel zonnezeilen genoemd, kunnen ruimtevaartuigen voortstuwen zonder raketbrandstof te gebruiken. Lichtzeilen werken wanneer lichtdeeltjes, ook wel fotonen genoemd, botsen met het reflecterende zeil en hun momentum overdragen op de plaat.
Na verloop van tijd zullen miljarden en miljarden fotonen het zeil raken, wat voldoende momentum geeft om het vaartuig vooruit te “duwen”.
In 2019 lanceerde de Planetary Society, een in de VS gevestigde non-profit organisatie voor ruimteonderwijs en outreach, een crowdfunded door een zweefvliegtuig aangedreven ruimtevaartuig genaamd LightSail 2 naar de baan van de aarde. Het kubusvormige ruimtevaartuig is zo groot als een brood, maar het zonnezeil beslaat 32 vierkante meter.
Het lichtzeil van het voertuig bestaat uit vier driehoekige delen van aluminium mylar. Toen het ruimtevaartuig de ruimte bereikte op een SpaceX Falcon Heavy-raket, manoeuvreerde het in een baan om de aarde met behulp van door zonlicht opgewekte stuwkracht.
De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA heeft ook een ruimtevaartuig gelanceerd dat reist met behulp van een zonnezeil genaamd Icarus.
Starshot is echter anders dan LightSail 2. Terwijl LightSail 2 uitsluitend afhankelijk is van fotonen van de zon, heeft Starshot intenser licht nodig om de extreme snelheden te bereiken die projectleiders hopen te bereiken. Om dit te doen, heeft het project tot doel lasers op de grond te gebruiken om intens licht rechtstreeks op de lichtzeilen van de potentiële Starshot-sondes te focussen, zodat ze snel op weg worden gestuurd nadat ze een baan hebben bereikt.
Perfecte zonnezeilvorming
In dit paar nieuwe onderzoeken hebben onderzoekers de meest effectieve vorm en stijl van een licht zeil onderzocht.
Het eerste artikel, geleid door Igor Bargatin, een onderzoeker bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica aan de Universiteit van Pennsylvania, stelt het beste materiaal en de beste vorm voor het interstellaire lichtzeil voor.
Ten eerste suggereert de studie dat het lichtgewicht zeil van de Starshot moet worden gemaakt van ultradunne platen van de chemische verbinding aluminiumoxide en het zilveren overgangsmetaal molybdeendisulfide.
Het team beveelt ook aan dat om breuk te voorkomen, een licht zeil een aanzienlijke bocht moet hebben en “als een parachute moet stromen in plaats van plat te liggen”, aldus de verklaring.
“De intuïtie hier is dat een zeer smal zeil, of het nu op een zeilboot of in de ruimte is, meer geneigd is om te huilen”, zei Bargatin in dezelfde verklaring. “Het is een relatief eenvoudig concept om te begrijpen, maar we moesten een aantal zeer complexe berekeningen doen om te laten zien hoe deze materialen zich op deze schaal gedragen.”
Vooral met de hoge snelheden waar het Starshot-team naar streeft, is het zeil bestand tegen een aanzienlijke hoeveelheid druk wanneer het tot het uiterste wordt geduwd. Deze onderzoekers suggereren dat de uitpuilende vorm zal helpen voorkomen dat het zeil onder deze druk breekt.
“Laserfotonen zullen het zeil vullen zoals lucht die een strandbal blaast”, zei hoofdauteur Matthew Campbell, een postdoctoraal onderzoeker in de Bargatine-groep, in dezelfde verklaring. “En we weten dat lichtgewicht, compacte containers bolvormig of cilindrisch moeten zijn om scheuren en scheuren te voorkomen. Denk aan propaantanks of zelfs brandstoftanks op raketten.”
belangrijk patroon
Het tweede artikel onderzocht hoe een patroon in het zeil de warmte van het licht van laserstralen op de grond effectiever zou kunnen verdelen.
“Als de zeilen zelfs maar een klein deel van het invallende laserlicht absorberen, zullen ze tot zeer hoge temperaturen opwarmen”, zegt hoofdauteur Aaswath Raman, een onderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering van de UCLA. Dat zei hij in dezelfde verklaring. “Om ervoor te zorgen dat het niet alleen uiteenvalt, moeten we het vermogen vergroten om zijn warmte weg te stralen, wat de enige manier van warmteoverdracht is die in de ruimte beschikbaar is.”
Eerder suggereerden onderzoekers dat de lichtgewicht “stof” van het zeil zou kunnen worden bedekt met kleine, gelijkmatig verdeelde gaten om deze hectische angst aan te pakken. Deze onderzoekers suggereren echter dat het zeil naast de zeilstof ook perforaties kan hebben die in een roosterpatroon zijn gegroepeerd om de warmteverdeling te maximaliseren.
“Een paar jaar geleden werd het denken of doen van theoretisch werk aan dit soort concepten als een beetje vergezocht beschouwd”, zei co-auteur Deep Jariwala, een onderzoeker die samenwerkte met Bargattin aan de Universiteit van Pennsylvania, in dezelfde verklaring. “Nu hebben we niet alleen een ontwerp, maar het ontwerp is gebaseerd op echte materialen die beschikbaar zijn in onze laboratoria. Ons plan voor de toekomst is om dergelijke structuren op kleine schaal te maken en ze te testen met een krachtige laser.”
Deze papieren waren gepubliceerd 16 februari in Nanobrieven.
E-mail Chelsea Godd op [email protected] of volg haar op Twitter Tweet insluiten. Volg ons op Twitter Tweet insluiten En op Facebook.
“Amateur-organisator. Wannabe-bierevangelist. Algemene webfan. Gecertificeerde internetninja. Fanatieke lezer.”
More Stories
Mogelijk draait er een extra maan rond de aarde, en wetenschappers denken dat ze precies weten waar die vandaan komt
Een baanbrekend nieuw principe – Koreaanse onderzoekers hebben een revolutionair fenomeen ontdekt in vloeibare kristallen
Snelle beeldvorming en kunstmatige intelligentie helpen ons te begrijpen hoe insectenvleugels werken