We kennen allemaal het idee van zonnezeilen om het zonnestelsel te verkennen, gebruikmakend van de lichte druk van de zon. Maar er is nog een voortstuwingssysteem dat de kracht van de zon kan benutten, elektrische zeilen, en het is een behoorlijk spannend idee.
Een paar weken geleden behandelde ik een vraag die iemand had over mijn favoriete exotische voortstuwingssystemen, en ik rammelde een paar ideeën die ik opwindend vind: zonnezeilen, nucleaire raketten, ionenmotoren, enz. Maar er is nog een voortstuwingssysteem dat steeds weer opkomt. , en ik ben het helemaal vergeten te vermelden, maar het is een van de beste ideeën die ik al een tijdje heb gehoord: elektrische zeilen.
Zoals je waarschijnlijk weet, werkt een zonnezeil door gebruik te maken van de fotonen van licht dat van de zon stroomt. Hoewel fotonen massaloos zijn, hebben ze momentum en kunnen ze deze overdragen wanneer ze tegen een reflecterend oppervlak stuiteren.
Naast licht blaast de zon ook een gestage stroom geladen deeltjes uit - de zonnewind. Een team van ingenieurs uit Finland, onder leiding van Dr. Pekka Janhunen, heeft voorgesteld een elektrisch zeil te bouwen dat deze deeltjes zal gebruiken om ruimtevaartuigen het zonnestelsel in te voeren.
Om te begrijpen hoe dit werkt, moet ik een paar concepten in je brein stoppen.
Ten eerste de zon. Die dodelijke straling in de lucht. Zoals je waarschijnlijk weet, is er een gestage stroom van geladen deeltjes, voornamelijk elektronen en protonen, die in alle richtingen van de zon wegritsen.
Astronomen weten niet precies hoe, maar een bepaald mechanisme in de corona van de zon, de bovenste atmosfeer, versnelt deze deeltjes met een ontsnappingssnelheid. Hun snelheid varieert van 250 tot 750 km / s.
De zonnewind reist weg van de zon en de ruimte in. We zien de effecten op kometen, waardoor ze hun karakteristieke staarten krijgen, en het vormt een bel rond het zonnestelsel dat bekend staat als de heliosfeer. Hier ontmoet de zonnewind van de zon de collectieve zonnewinden van de andere sterren in de Melkweg.
In feite passeerde NASA's Voyager-ruimtevaartuig onlangs deze regio en bereikte uiteindelijk zijn weg naar de interstellaire ruimte.
De zonnewind veroorzaakt wel een directe druk, zoals een echte wind, maar hij is ongelooflijk zwak, een fractie van de lichte druk die een zonnezeil ervaart.
Maar de zonnewind bevat een stroom positief geladen protonen en elektronen, en dat is de sleutel.
Een elektrisch zeil werkt door een ongelooflijk dunne draad uit te winden, slechts 25 micron dik, maar 20 kilometer lang. Het ruimtevaartuig is uitgerust met zonnepanelen en een elektronenkanon dat slechts een paar honderd watt nodig heeft.
Door elektronen de ruimte in te schieten, behoudt het ruimtevaartuig een zeer positief geladen toestand. Omdat de protonen van de zon ook positief geladen zijn, 'zien' ze, wanneer ze de positief geladen ketting tegenkomen, een enorm obstakel op 100 meter afstand en botsen erop.
Door hun momentum aan de tether en het ruimtevaartuig te geven, versnellen de ionen het weg van de zon.
De hoeveelheid acceleratie is erg zwak, maar het is constante druk van de zon en kan gedurende een lange periode oplopen. Als een ruimtevaartuig van 1000 kg bijvoorbeeld 100 van deze draden in alle richtingen uitstrekt, kan het een versnelling van 1 mm per seconde per seconde ontvangen.
In de eerste seconde reist het 1 mm, en vervolgens 2 mm in de volgende seconde, enz. In de loop van een jaar zou dit ruimtevaartuig 30 km / s kunnen gaan. Ter vergelijking: het snelste ruimtevaartuig dat er is, NASA's Voyager 1, gaat slechts ongeveer 17 km / s. Dus veel sneller, zeker op een ontsnappingssnelheid van het zonnestelsel.
Een van de nadelen van de methode is eigenlijk dat deze niet werkt in de magnetosfeer van de aarde. Dus een elektrisch door een zeil aangedreven ruimtevaartuig zou door een traditionele raket van de aarde moeten worden gedragen voordat het zijn zeil zou kunnen ontvouwen en de ruimte in zou kunnen gaan.
Ik weet zeker dat je je afvraagt of dit een enkele reis is om weg te komen van de zon, maar dat is het eigenlijk niet. Net als bij zonnezeilen kan een elektrisch zeil worden gedraaid. Afhankelijk van welke kant van het zeil de zonnewind raakt, verhoogt of verlaagt het de baan van het ruimtevaartuig vanaf de zon.
Sla aan één kant op het zeil en je verhoogt zijn baan om naar het buitenste zonnestelsel te reizen. Maar je kunt ook de andere kant raken en zijn baan verlagen, zodat hij naar het innerlijke zonnestelsel kan reizen. Het is een ongelooflijk veelzijdig voortstuwingssysteem en de zon doet al het werk.
Hoewel dit klinkt als sciencefiction, zijn er eigenlijk enkele tests in de maak. Een Estse prototypesatelliet werd in 2013 gelanceerd, maar de motor kon de kabel niet uitrollen. De Finse Aalto-1-satelliet werd gelanceerd in juni 2017 en een van de experimenten is het testen van een elektrisch zeil.
We moeten uitzoeken of de techniek later dit jaar levensvatbaar is.
Het zijn niet alleen de Finnen die dit voortstuwingssysteem overwegen. In 2015 kondigde NASA aan dat ze een Phase II Innovative Advanced Concepts-subsidie hadden toegekend aan Dr. Pekka Janhunen en zijn team om te onderzoeken hoe deze technologie kan worden gebruikt om het buitenste zonnestelsel in minder tijd te bereiken dan andere methoden.
Het Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, of HERTS-ruimtevaartuig, zou 20 van deze elektrische tetheren vanuit het midden naar buiten uitstrekken en een enorm rond elektrisch zeil vormen om de zonnewind op te vangen. Door het ruimtevaartuig langzaam te draaien, zullen de middelpuntvliedende krachten de teder uitrekken tot deze cirkelvorm.
Met zijn positieve lading fungeert elke ketting als een enorme barrière voor de zonnewind, waardoor het ruimtevaartuig een effectief oppervlak van 600 vierkante kilometer krijgt zodra het van de aarde is gelanceerd. Naarmate het verder komt, neemt het effectieve gebied van de aarde toe tot het equivalent van 1.200 vierkante km tegen de tijd dat het Jupiter bereikt.
Wanneer een zonnezeil stroom begint te verliezen, blijft een elektrisch zeil steeds sneller accelereren. In feite zou het blijven versnellen voorbij de baan van Uranus.
Als de technologie werkt, zou de HERTS-missie in slechts 10 jaar de heliopauze kunnen bereiken. Het kostte Voyager 1 35 jaar om deze afstand, 121 astronomische eenheden vanaf de zon, te bereiken.
Maar hoe zit het met sturen? Door de spanning op elke draad te veranderen terwijl het ruimtevaartuig draait, kun je het hele zeil aan de ene of de andere kant anders laten reageren op de zonnewind. Je zou het hele ruimtevaartuig kunnen besturen zoals de zeilen op een boot.
In september 2017 kondigde een team van onderzoekers van het Finse Meteorologisch Instituut een behoorlijk radicaal idee aan hoe ze elektrische zeilen zouden kunnen gebruiken om de asteroïdengordel volledig te verkennen.
In plaats van een enkel ruimtevaartuig, stelden ze voor om een vloot van 50 afzonderlijke satellieten van 5 kg te bouwen. Ieder zou zijn eigen 20 km lange ketting uitrollen en de zonnewind van de zon opvangen. Tijdens een missie van 3 jaar reisde het ruimtevaartuig naar de asteroïdengordel en bezocht verschillende ruimtesteentjes. De volledige vloot zou waarschijnlijk 300 afzonderlijke objecten kunnen verkennen.
Elk ruimtevaartuig zou worden uitgerust met een kleine telescoop met een opening van slechts 40 mm. Dat is ongeveer zo groot als een spotting scope of een half verrekijker, maar het zou voldoende zijn om functies op het oppervlak van een asteroïde zo klein als 100 meter breed op te lossen. Ze zouden ook een infraroodspectrometer hebben om te kunnen bepalen uit welke mineralen elke asteroïde is gemaakt.
Dat is een geweldige manier om die asteroïde van $ 10 biljoen te vinden die is gemaakt van massief platina.
Omdat het ruimtevaartuig te klein zou zijn om helemaal terug naar de aarde te communiceren, zouden ze de gegevens aan boord moeten opslaan en dan alles moeten verzenden zodra ze drie jaar later langs onze planeet kwamen.
De planetaire wetenschappers met wie ik heb gesproken, waren dol op het idee om zoveel verschillende objecten tegelijkertijd te kunnen onderzoeken, en het idee van elektrisch zeilen is een van de meest efficiënte methoden om het te doen.
Volgens de onderzoekers zouden ze de missie kunnen doen voor ongeveer $ 70 miljoen, wat de kosten voor het analyseren van elke asteroïde terugbrengt tot ongeveer $ 240.000. Dat zou goedkoop zijn in vergelijking met elke andere voorgestelde methode om asteroïden te bestuderen.
Bij ruimteverkenning worden traditionele chemische raketten gebruikt omdat ze bekend en betrouwbaar zijn. Natuurlijk hebben ze hun tekortkomingen, maar ze hebben ons door het zonnestelsel geleid, naar miljarden kilometers verwijderd van de aarde.
Maar er zijn nog andere vormen van voortstuwing in de maak, zoals het elektrische zeil. En in de komende decennia zullen we steeds meer van deze ideeën op de proef stellen. Een brandstofvrij voortstuwingssysteem dat een ruimtevaartuig naar de buitenste regionen van het zonnestelsel kan vervoeren? Ja graag.
Ik houd je op de hoogte wanneer er meer elektrische zeilen worden getest.
Podcast (audio): downloaden (duur: 10:10 - 9,3 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): downloaden (duur: 10:10 - 69,3 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
