Что такое электрический парус? Еще один экзотический способ изучения солнечной системы


Мы все знакомы с идеей солнечных парусов в исследовании Солнечной системы, использующих легкое воздействие Солнца.

581466main_solar_sails1_1713x1057-1024x631.jpg
Концепция художника о демонстрации солнечной парусной миссии, которая будет использовать навигационные лазеры. © НАСА.

Но есть еще одна силовая установка, которая могла бы использовать эту силу — электрические паруса — и это довольно захватывающая идея, сообщает universetoday.

Как вы, наверное, знаете, солнечный парус работает, используя фотоны света, исходящие от Солнца. Хотя фотоны невесомы, они имеют импульс и могут передавать его, при столкновении с отражающей поверхностью.

В дополнение к свету Солнце также выдувает постоянный поток заряженных частиц — солнечного ветра. Команда инженеров из Финляндии во главе с доктором Пеккой Джанхуненом предложилb построить электрический парус, который будет использовать эти частицы для полета космических аппаратов в Солнечной системе.

Чтобы понять, как это работает, необходимо рассмотреть несколько понятий.

Во-первых, Солнце. Это смертельный небесный радиационный шар. Как вы, наверное, знаете, существует постоянный поток заряженных частиц, в основном электронов и протонов, разлетающихся от Солнца во всех направлениях.

Magnetosphere-solar-wind-JPL.jpg
Визуализация солнечного ветра сталкивающегося c магнитными «защитными силами» Земли, известными как магнитосфера. Облака направленной на юг плазмы способны отслаивать слои пузыря Солнца и складывать их в слои на ночной планете (в центре, справа). Слои могут быть сжаты достаточно плотно, чтобы повторно соединиться и доставить солнечные электроны (желтые блестки) непосредственно в верхнюю атмосферу создавая полярное сияние. © JPL

Астрономы не совсем уверены, как, но какой-то механизм в короне Солнца, ее верхней атмосфере, ускоряет эти частицы на параболической (вторая космическая) скорости. Она колеблется от 250 до 750 км / с.

Солнечный ветер покидает Солнце и выходит в космос. Мы видим его влияние на кометы, придающее им характерные хвосты, и он образует пузырь вокруг Солнечной системы, известный как гелиосфера. Именно здесь солнечный ветер от нашего Солнца встречает коллективные солнечные ветры от других звезд Млечного Пути.

Фактически, космический корабль НАСА «Вояджер» недавно прошел через этот регион, наконец пробившись к межзвездному пространству.

Солнечный ветер действительно вызывает прямое воздействие, как настоящий ветер, но он невероятно слаб, солнечный парус испытывает лишь фракцию светового давления.

pia17462main_8k_1.jpg
Концепция этого художника демонстрирует, как космический корабль "Вояджер 1" входит в пространство между звездами. В межзвездном пространстве доминирует плазма, ионизированный газ (здесь проиллюстрирован как коричневатый туман), который был выброшен гигантскими звездами миллионы лет назад. © НАСА.

Но солнечный ветер отрицательно заряжен и это ключ.

Электрический парус работает, используя вытянутую невероятно тонкую проволоку, толщиной всего 25 микрон, но длиной 20 километров. Космический аппарат оснащен солнечными батареями и электронной пушкой, которая потребляет всего несколько сотен ватт.

Выстреливая электронами в космос, космический корабль поддерживает высокое позитивно заряженное состояние. Поскольку отрицательно заряженные частицы Солнца сталкиваются с положительно заряженным тросом, они «видят» это огромное препятствие на 100 метров в поперечнике и попадают в него.

Передавая импульс на трос и космический корабль, ионы ускоряют его в направлении от Солнца.

Количество ускорений очень слабое, но это постоянное давление со стороны Солнца может складываться в течение длительного периода времени. Например, если бы у 1000-килограммового космического корабля было развернуто 100 таких проводов, простирающихся во всех направлениях, он мог бы получать ускорение 1 мм в секунду.

В первую секунду он перемещается на 1 мм, а затем на 2 мм в следующую секунду и т. д. В течение года этот космический корабль мог бы разогнаться до 30 км / с. Для сравнения, самый быстрый космический корабль, "Вояджер 1" НАСА, составляет всего около 17 км / с. Таким образом, намного быстрее, определенно, на параболической скорости из Солнечной системы.

На самом деле одним из недостатков метода является то, что он не будет работать в магнитосфере Земли. Таким образом, электрический космический корабль с парусным двигателем должен быть доставлен традиционной ракетой с Земли, прежде чем он сможет развернуть свой парус и отправиться в глубокий космос.

Я уверен, что Вы задаетесь вопросом, является ли это односторонней поездкой, в направлении от Солнца, но на самом деле это не так. Как и солнечные паруса, электрический парус можно поворачивать. В зависимости от того, на какую сторону паруса падает солнечный ветер, он либо увеличивает, либо уменьшает орбиту космического корабля относительно Солнца.

Подставьте парус одной стороной и вы увеличите свою орбиту для путешествия к внешней Солнечной системе. Но вы также можете перевести его на другую сторону и уменьшить свою орбиту, позволяя вернуться во внутреннюю Солнечную систему. Это невероятно универсальная силовая установка и Солнце вполне выполняет всю работу.

Хотя это звучит как научная фантастика, на самом деле проведены определенные тесты. Эстонский спутник-прототип был запущен еще в 2013 году, но его двигателю не удалось освободить трос. Финский спутник "Аалто-1" был запущен в июне 2017 года, и один из его экспериментов — проверка электрического паруса.

Мы должны узнать, жизнеспособна ли техника, позже в этом году.

И не только финны рассматривают эту силовую систему. В 2015 году НАСА объявили, что они предоставили грант "Этап II. Инновационный передовые концепции" доктору Пекке Джанхунену и его команде, чтобы изучить, как эта технология может использоваться для достижения внешней Солнечной системы за меньшее время, чем другие методы.

Электростатическая система скоростного транспорта Heliopause или космический аппарат HERTS растянут 20 таких электрических фалов наружу от центра, образуя огромный круговой электрический парус, чтобы ловить солнечный ветер. Посредством медленного вращения космического корабля центробежные силы растянут эти "лини" в округлую, лучистую форму.

wiegmann-phase_ii_2015_graphic-1024x685.jpg
Иллюстрация художника о быстродействующей транзитной системе Heliopause. © НАСА

С положительным зарядом каждый трос действует как огромный барьер для солнечного ветра, давая космическому кораблю эффективную площадь поверхности 600 квадратных километров, как только его запустят с Земли. По мере того, как он будет продвигаться дальше, его эффективная площадь увеличится до эквивалента 1200 квадратных километров, к тому времени, когда достигнет Юпитера. При потере энергии, солнечный парус просто продолжит ускорение. Фактически, он будет ускоряться по орбите Урана.

Если технология будет работать, миссия HERTS сможет достичь гелиопаузы (граница магнитного поля Солнца) всего за 10 лет. Чтобы пройти это расстояние, "Вояджеру" потребовалось бы 135 лет, 121 астрономический единица от Солнца.

Но как насчет рулевого управления? Изменяя напряжение на каждом проводе по мере вращения космического корабля, вы можете заставить весь парус по-другому взаимодействовать с одной или другой стороной солнечного ветра. Вы могли бы управлять всем космическим кораблем, как парусами на лодке.

В сентябре 2017 года группа исследователей из Финского метеорологического института огласила довольно радикальную идею о том, как они могут использовать электрические паруса для всестороннего изучения пояса астероидов.

Вместо одного космического корабля они предложили построить флот из 50 отдельных 5-килограммовых спутников. Каждый из них применил бы свой собственный 20-километровый парус и ловил солнечный ветер. В течение трехлетней миссии космический корабль вылетел бы на астероидный пояс и посетил несколько разных космических скал. Полный флот, вероятно, сможет исследовать 300 отдельных объектов.

heic1715c-e1506284644287-1024x973.jpg
На этом изображении изображены две области, в которых обнаружены большинство астероидов в Солнечной системе: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и трояны, две группы астероидов движутся впереди и следуют за Юпитером по орбите вокруг Солнца. © НАСА

Каждый космический аппарат был бы оснащен небольшим телескопом с апертурой 40 мм. Этого размера области обнаружения или половины пары бинокуляров было бы достаточно, чтобы различить особенности на поверхности астероида диаметром до 100 метров. У них также будет инфракрасный спектрометр, который сможет определить, из каких минералов состоит каждый астероид.

Это отличный способ найти астероид из твердой платины стоимостью 10 триллионов.

Поскольку космический корабль был бы слишком мал, чтобы полностью передать сообщения на Землю, им нужно было бы хранить данные на борту, а затем передавать все, как только они пройдут мимо нашей планеты 3 года спустя.

Планетарным ученым, с которыми я разговаривал, нравится идея одновременного исследования множества разных объектов, а концепция электрического паруса - один из самых эффективных способов сделать это.

По словам исследователей, они могут выполнить миссию на сумму около 70 миллионов долларов, приведя затраты на анализ каждого астероида примерно до 240 000 долларов. Это было бы дешевле по сравнению с любым другим методом, предложенным для изучения астероидов.

Исследование космоса использует традиционные химические ракеты, потому что они известны и надежны. Конечно, у них есть свои недостатки, но они доставили нас через Солнечную систему, на миллиарды километров от Земли.

Но в разработках есть и другие формы силовых установок, как например электрический парус. И в ближайшие десятилетия мы увидим, что все больше и больше этих идей подвергаются испытанию. Система без топлива, которая может доставлять космический корабль во внешние районы Солнечной системы? Да, пожалуйста.


Comments 2


**upvote50-50 сделал реблог :)**

Этот пост участвует в программе 50/50 !

01.11.2017 11:03
0