Solárna plachta: jednoduchý nápad, ktorý nám pomôže dostať sa ku hviezdam. Futurológia: Futurológia

Solárna plachetnica sa prvýkrát objavila na stránkach sci-fi románu „Neobyčajné dobrodružstvá ruského vedca“ (1888-1896) od Georgesa le Forta a Henriho de Graffignyho, ešte predtým, ako Pyotr Nikolaevič Lebedev dokázal realitu predpovedaného svetelného tlaku. od Maxwella. Myšlienku solárnej jachty prevzal ruský spisovateľ sci-fi Boris Krasnogorsky. Po knihe „Na vlnách éteru“ (1913) nasledovali „Ostrovy éterického oceánu“ (1914), napísané v spolupráci s historikom astronómie Daniilom Svyatským. V polovici 20. rokov 20. storočia solárne plachty propagovali Ciolkovskij a Friedrich Zander.

V roku 1951 americký inžinier Carl Wiley publikoval článok „Space Clippers“ v literárnom časopise Astounding Science Fiction, kde sa vážne diskutovalo o možnosti medziplanetárneho cestovania na slnečnú energiu. O sedem rokov neskôr fyzik IBM Richard Garvin a zamestnanec Národného laboratória Los Alamos Ted Cotter publikovali prvé technické články o solárnych plachtách (mimochodom, bol to práve Garvin, kto vymyslel termín solárne plachtenie). V 60. rokoch 20. storočia hrdinovia takých slávnych spisovateľov sci-fi ako Cordwainer Smith, Pierre Boulle a Arthur Clarke cestovali na vesmírnych plachetniciach.

Od teórie k praxi

Solárne plachty sa v posledných desaťročiach začali meniť z krásnej, no čisto teoretickej predstavy na realitu. Zatiaľ hovoríme o skôr skromných experimentoch s nasadením slnečnej plachty na nízku obežnú dráhu Zeme (nasadenie plachty a jej udržiavanie v rozloženom stave sú jedným z hlavných problémov konceptu). Prvý z týchto experimentov sa uskutočnil v roku 1993, keď bolo na ruskej nákladnej lodi Progress M-15 úspešne nasadené dvojmetrové tenkovrstvové zrkadlo. V roku 2001 mal byť Cosmos 1, vypustený z prostriedkov Americkej planetárnej spoločnosti, po prvýkrát vmanévrovaný na obežnú dráhu pomocou 15-metrovej plachty vyrobenej z metalizovaného mylaru. Žiaľ, zabránila tomu porucha na jednom zo stupňov nosnej rakety Volna, takže satelit sa nikdy nedostal na obežnú dráhu. V roku 2004 sa k výskumu pripojilo Japonsko: počas suborbitálneho letu rakety S-310 boli testované dve rôzne konštrukcie solárnych plachiet. Napriek týmto pokrokom sú však experimenty stále veľmi ďaleko od plachetníc v plnej veľkosti.

poľné plachty

Keď ľudia hovoria o vesmírnej solárnej plachte, zvyčajne majú na mysli ľahké zrkadlo, ktoré odráža svetelné lúče, čím zrýchľuje nosné vozidlo. Môže byť pevný a flexibilný, stacionárny a odnímateľný. Slnečnú plachtu však možno nazvať aj zariadením, ktoré vrhá nie svetlo, ale slnečný vietor – prúd rýchlo nabitých častíc (hlavne protónov, héliových iónov a elektrónov), ktoré opúšťajú slnečnú atmosféru. O tejto možnosti sa prvýkrát hovorilo pred 400 rokmi v liste Keplera Galileovi. Kepler si všimol, že chvosty komét sú vždy nasmerované preč od Slnka. Navrhol, že ich unáša „kozmický vánok“ a predpovedal vzhľad nebeských lodí vybavených plachtami nafúknutými týmto vetrom.

Elektrická plachta

V roku 2004 Pekka Janhunen, zamestnanec Fínskeho meteorologického inštitútu, predložil koncept elektrickej plachty. Častice slnečnej plazmy sú vychyľované vodivou sieťou s rozlohou niekoľko stoviek kilometrov, ktorá je zásobovaná kladným potenciálom z lodných generátorov. Takáto sieť bude odrážať masívne častice slnečného vetra, teda protóny a ióny, ktoré tiež nesú kladný náboj (v tomto prípade budú musieť slnečné elektróny nejako odmietnuť, inak zneutralizujú elektrické pole plachty). ). Na zabezpečenie optimálneho ťahu bude posádka lode monitorovať rýchlosť a hustotu slnečného vetra a upravovať napätie dodávané do mriežky-plachty. Podľa Janhunena budú takéto plachty schopné zrýchliť kozmickú loď na rýchlosť asi 100 km/s.

Problém kozmickej lode so slnečnou plachtou opúšťajúcej sféru vplyvu Zeme sa zaoberal v § 10 kap. 5. Ovládanie plachty mimo sféry vplyvu Zeme je jednoduchšie. Ak prinútite plachtu otáčať sa tak, aby slnečné lúče boli vždy kolmé na jej povrch, potom sa kozmická loď „ponorí do oslabeného gravitačného poľa“ a začne sa pohybovať okolo Slnka po eliptickej, parabolickej alebo hyperbolickej dráhe.

Ryža. 131. Letová schéma so slnečnou plachtou: a) k vonkajším planétam; 6) k vnútorným planétam. Šípky sú vektory trakčných síl.

Výpočty ukazujú, že 0,5 tony vážiace zariadenie by mohlo s plachtou s priemerom vyrobenou z filmov s povrchovou hustotou dosiahnuť Mars po poloeliptickej trajektórii za 286 dní. Takáto plachta by udelila na obežnej dráhe Zeme zrýchlenie, ktoré sa približne rovná zrýchleniu slnečnej gravitácie. S priemerom plachty by bola hmota lode schopná opustiť Slnečnú sústavu.

Najvýhodnejšie je však otočiť plachtu tak, aby slnečné svetlo pri pohybe okolo Slnka „fúkalo takmer na kormu“. V tomto prípade budú slnečné lúče dopadať na plachtu šikmo (tým sa zníži tlak), ale náporová sila plachty bude smerovať takmer do smeru pohybu. Loď sa začne špirálovito vzďaľovať od Slnka (obr. 131, c).

Na prvý pohľad sa môže zdať, že slnečná plachta vám neumožňuje priblížiť sa k Slnku, ale nie je to tak. Umiestnením plachty tak, aby sa tlak slnečného svetla spomalil

pohyb lode, prinútime ju pohybovať sa po špirále do nášho planetárneho systému, t.j. smerom k obežným dráham Venuše a Merkúra (obr. 131, b).

Po dosiahnutí oblasti cieľovej planéty môže vozidlo so solárnou plachtou preletieť okolo planéty, ale môže tiež vykonávať zložité manévre s plachtou v priebehu niekoľkých týždňov, berúc do úvahy existenciu zatienenej oblasti vesmíru v blízkosti. planétu, aby zostúpil smerom k planéte a dostal sa na obežnú dráhu jej umelého satelitu.

Ak je plachta riadená tak, že slnečné lúče na ňu dopadajú pod konštantným uhlom (toto ovládanie je myšlienkovo ​​jednoduché, ale nie je optimálne), tak k pohybu kozmickej lode mimo sféry vplyvu Zeme dochádza v r. takzvaná logaritmická špirála. Takýto riadiaci program zhruba zodpovedá trajektóriám znázorneným na obr. 131 (logaritmická špirála pretína všetky kruhové dráhy pod rovnakými uhlami). Takéto lety by mali byť ziskové z hľadiska ich trvania. Vyššie opísaný priemer plachty so správne konštantnou orientáciou vzhľadom na slnečné lúče by dopravil náklad na Mars za 247 dní. Všimnite si, že pulzný Hohmannov let si vyžaduje 259 dní (pozri tabuľku 6).

Vec je však, žiaľ, zložitejšia, ako sa môže zdať. Logaritmická špirála pretína obežnú dráhu Zeme (podobne ako iné dráhy) pod určitým uhlom. Napríklad pre vyššie uvedený prípad denného letu by tento uhol mal byť 8,5°. Pre zodpovedajúci smer heliocentrickej rýchlosti výstupu zo sféry vplyvu Zeme by mala byť geocentrická rýchlosť výstupu, ako ukazuje jednoduchý výpočet, rovná 4,4 km/s. Môže však vozidlo so slnečnou plachtou, vypustené z blízkej obežnej dráhy Zeme, dosiahnuť hranicu sféry vplyvu Zeme takou rýchlosťou? To je pochybné. S najväčšou pravdepodobnosťou bude potrebné túto rýchlosť pridať pomocou chemického motora. Potom je však jednoduchšie pridať túto rýchlosť správnym smerom a dostať sa na Mars v oveľa kratšom čase. Z podobného dôvodu bude pri dosiahnutí cieľovej planéty potrebný dodatočný brzdný impulz, aby bolo možné vstúpiť na obežnú dráhu jej umelého satelitu.

Je však dokázané, že let z obežnej dráhy Zeme na obežnú dráhu inej planéty pomocou slnečnej plachty je možný (s určitým programom na zmenu sklonu plachty) po dráhe, ktorá sa nepretína, ale iba dotýka dráh Zem a cieľová planéta a počiatočná a konečná heliocentrická rýchlosť sa rovnajú orbitálnym rýchlostiam Zeme a planét. Ale nanešťastie,

Dĺžka letu bude teraz oveľa dlhšia. Napríklad pri vyššie opísanej plachte s priemerom, ktorý pri zaťažení vytvorí, ak na ňu slnečné lúče dopadajú kolmo, vo vzdialenosti 1 a. zo Slnka by zrýchlenie z obežnej dráhy Zeme na obežnú dráhu Marsu trvalo 405 dní. Aj keby sa zrýchlenie zdvojnásobilo (na čo by pri rovnakom zaťažení musel byť priemer plachty približne 500 m), let na Mars by trval 322 dní, k Venuši - 164 dní, k Merkúru - 0,53 roka, do Jupiter - 6,6 rokov, Saturn - 17 rokov, Urán - 49 rokov, Neptún - 96 rokov, Pluto - 145 rokov.

Najnovšie údaje o trvaní letov so slnečnou plachtou z obežnej dráhy blízko Zeme na obežnú dráhu blízko planéty nie sú príliš povzbudivé! Treba však mať na pamäti, že lety, ktorých cieľom nie je zostúpiť na obežnú dráhu umelého satelitu skúmanej planéty, ale sú obmedzené iba na prelet okolo planéty, sa budú len málo líšiť od letov pozdĺž logaritmickej špirály. Napokon, zväčšenie plochy plachiet skráti čas letu, hoci zvládanie obrovských tenkých vrstiev predstavuje náročnú technickú výzvu.

Slnečná plachta je spôsob pohonu kozmickej lode pomocou ľahkého a vysokorýchlostného tlaku plynu (tiež nazývaného slnečný tlak), ktorý vyžaruje hviezda. Pozrime sa bližšie na jeho zariadenie.

Použitie plachty ponúka lacné cestovanie vesmírom v kombinácii s predĺženou životnosťou. Kvôli nedostatku mnohých pohyblivých častí, ako aj potrebe použiť pohonnú látku, by takáto loď mohla byť potenciálne opätovne použiteľná na doručovanie užitočného zaťaženia. Niekedy sa používajú aj názvy svetelná plachta alebo fotónová plachta.

História konceptu

Johannes Kepler si raz všimol, že chvost kométy smeruje preč od Slnka, a navrhol, že to bola hviezda, ktorá vyvolala tento efekt. V liste Galileovi v roku 1610 napísal: „Poskytnite lodi plachtu prispôsobenú slnečnému vánku a nájdu sa takí, ktorí sa odvážia preskúmať túto prázdnotu. Možno týmito slovami hovoril konkrétne o fenoméne „chvostu kométy“, hoci publikácie na túto tému sa objavili o niekoľko rokov neskôr.

James C. Maxwell publikoval v 60. rokoch 20. storočia teóriu elektromagnetických polí a žiarenia, v ktorej ukázal, že svetlo má hybnosť a teda môže vyvíjať tlak na predmety. Maxwellove rovnice poskytujú teoretický základ pre pohyb pomocou ľahkého tlaku. Preto už v roku 1864 bolo vo fyzikálnej komunite aj mimo nej známe, že slnečné svetlo nesie impulz, ktorý vyvíja tlak na objekty.

Prvýkrát experimentálne demonštrovaný Pyotrom Lebedevom v roku 1899 a potom Ernest Nichols a Gordon Hull vykonali podobný nezávislý experiment v roku 1901 pomocou Nicholsovho rádiometra.

Albert Einstein predstavil inú formuláciu, uznávajúc ekvivalenciu hmoty a energie. Teraz môžeme jednoducho napísať p = E/c ako vzťah medzi hybnosťou, energiou a rýchlosťou svetla.

V roku 1908 predpovedali možnosť, že tlak slnečného žiarenia prenáša živé spóry na medzihviezdne vzdialenosti a v dôsledku toho koncept panspermie. Bol prvým vedcom, ktorý tvrdil, že svetlo dokáže presúvať objekty medzi hviezdami.

Prvé formálne projekty na vývoj tejto technológie sa začali v roku 1976 v Laboratóriu prúdového pohonu pre plánovanú misiu stretnutia s Halleyho kométou.

Princíp činnosti solárnej plachty

Svetlo ovplyvňuje všetky vozidlá na obežnej dráhe okolo planéty. Napríklad typická kozmická loď smerujúca na Mars bude premiestnená viac ako 1000 km od Slnka. Tieto efekty boli brané do úvahy pri plánovaní trajektórie cestovania do vesmíru od úplne prvej medziplanetárnej kozmickej lode v 60. rokoch minulého storočia. Žiarenie ovplyvňuje aj polohu plavidla a tento faktor je potrebné zohľadniť pri návrhu plavidla. Sila pôsobiaca na slnečnú plachtu je 1 newton alebo menej.

Použitie tejto technológie je pohodlné na medzihviezdnych dráhach, kde sa akékoľvek akcie vykonávajú nízkym tempom. Vektor sily ľahkej plachty je orientovaný pozdĺž slnečnej línie, čo zvyšuje orbitálnu energiu a moment hybnosti, čo spôsobuje, že sa plavidlo vzďaľuje od Slnka. Na zmenu sklonu dráhy je vektor sily mimo roviny vektora rýchlosti.

Ovládanie polohy

Systém riadenia polohy kozmickej lode (ACS) je nevyhnutný na dosiahnutie a zmenu požadovanej polohy pri cestovaní vesmírom. Cieľová poloha dopravného prostriedku sa mení veľmi pomaly, v medziplanetárnom priestore často menej ako jeden stupeň za deň. Tento proces prebieha oveľa rýchlejšie na obežných dráhach planét. Riadiaci systém vozidla so solárnou plachtou musí spĺňať všetky požiadavky na orientáciu.

Riadenie sa dosiahne relatívnym posunom medzi stredom tlaku nádoby a jej ťažiskom. To sa dá dosiahnuť použitím riadiacich lopatiek, pohybom jednotlivých plachiet, pohybom riadiacej hmoty alebo zmenou odrazivosti.

Konštantná poloha vyžaduje, aby ACS udržiaval čistý krútiaci moment na nule. Moment sily plachty nie je konštantný pozdĺž trajektórie. Mení sa so vzdialenosťou od Slnka a uhlom, ktorý upravuje hriadeľ plachty a vychyľuje niektoré prvky nosnej konštrukcie, čo vedie k zmenám sily a krútiaceho momentu.

Obmedzenia

Slnečná plachta nebude môcť fungovať vo výške nižšej ako 800 km od Zeme, pretože až do tejto vzdialenosti prevyšuje sila odporu vzduchu silu ľahkého tlaku. To znamená, že vplyv slnečného tlaku je slabo viditeľný a jednoducho to nebude fungovať. Rýchlosť otáčania musí byť kompatibilná s obežnou dráhou, čo je zvyčajne problém len pri konfiguráciách rotujúcich diskov.

Prevádzková teplota závisí od slnečnej vzdialenosti, uhla, odrazivosti a predných a zadných žiaričov. Plachtu možno použiť len tam, kde sa teplota udržiava v medziach materiálu. Vo všeobecnosti sa dá použiť celkom blízko slnka, okolo 0,25 astronomických jednotiek, ak je loď starostlivo navrhnutá pre tieto podmienky.

Konfigurácia

Eric Drexler vyrobil prototyp solárnej plachty zo špeciálneho materiálu. Ide o rám s panelom z tenkej hliníkovej fólie s hrúbkou 30 až 100 nanometrov. Plachta sa otáča a musí byť neustále pod tlakom. Tento typ konštrukcie má veľkú plochu na jednotku hmotnosti, a preto dosahuje zrýchlenie „päťdesiatkrát vyššie“ ako tie, ktoré sú založené na roztiahnuteľných plastových fóliách. Skladá sa zo štvorcových plachiet so sťažňami a párovými líniami na tmavej strane plachty. Štyri pretínajúce sa stožiare a jeden kolmý na stred na uchytenie drôtov.

Elektronický dizajn

Pekka Janhunen vynašiel elektrickú plachtu. Mechanicky má len málo spoločného s tradičným dizajnom osvetlenia. Plachty sú nahradené narovnanými vodivými káblami (drôtmi) usporiadanými radiálne okolo lode. Vytvárajú elektrické pole. Presahuje niekoľko desiatok metrov do plazmy okolitého slnečného vetra. Slnečné elektróny sú odrážané elektrickým poľom (ako fotóny na tradičnej slnečnej plachte). Loď je možné ovládať reguláciou elektrického náboja drôtov. Elektrická plachta má 50-100 narovnaných drôtov dlhých asi 20 km.

Z čoho je to vyrobené?

Materiál vyvinutý pre solárnu plachtu Drexler je tenký hliníkový film s hrúbkou 0,1 mikrometra. Ako sa očakávalo, preukázal dostatočnú pevnosť a spoľahlivosť na použitie vo vesmíre, ale nie na skladanie, štart a nasadenie.

Najbežnejším materiálom v moderných konštrukciách je hliníková fólia Kapton s veľkosťou 2 mikróny. Odoláva vysokým teplotám v blízkosti Slnka a je dosť silný.

Existujú určité teoretické špekulácie o použití techník molekulárnej výroby na vytvorenie pokročilej, silnej, ultraľahkej plachty založenej na tkaninových sieťkach z nanorúrok, kde tkané „medzery“ majú menej ako polovicu vlnovej dĺžky svetla. Takýto materiál bol vytvorený iba v laboratórnych podmienkach a prostriedky na výrobu v priemyselnom meradle zatiaľ nie sú k dispozícii.

Ľahká plachta otvára obrovské vyhliadky na medzihviezdne cestovanie. Samozrejme, stále existuje veľa otázok a problémov, ktorým bude treba čeliť, kým sa cestovanie po vesmíre s použitím takéhoto dizajnu kozmickej lode stane pre ľudstvo samozrejmosťou.

30. mája 2015 Prvý test sa uskutoční na obežnej dráhe Zeme solárna plachta LightSail-1- zariadenie, ktorého použitie umožní v budúcnosti vesmírne lety na najväčšie vzdialenosti. Dnes vám to prezradíme čo je slnečná plachta, aké má vyhliadky, a tiež o úlohe slávneho astronóma Carla Sagana a ruského vedca Friedricha Zandera pri vzniku tejto myšlienky.

Princíp fungovania

Solárna plachta je zariadenie, ktoré využíva tlak slnečného svetla na zrkadlový povrch na pohon kozmickej lode.

Využitie tejto technológie umožní realizovať aj tie najdlhšie vesmírne lety, pretože na pohyb v medzihviezdnom priestore loď nebude potrebovať na palube obrovskú zásobu fyzického paliva – zdroj pohybu bude umiestnený všade.

Samozrejme, čím ďalej bude kozmická loď so solárnou plachtou od zdroja svetla, tým bude jej tlak nižší. Ale obrovské priestory vesmíru sú vákuum, preto nebude žiadna sila spomaľovať pohyb kozmickej lode. Ale aj najslabšie svetlo zo vzdialených hviezd bude postupne zvyšovať rýchlosť letu.

Predpokladá sa, že kozmická loď poháňaná slnečnou plachtou dostatočnej veľkosti by mohla dosiahnuť rýchlosť približne jednej desatiny rýchlosti svetla.

Existujú aj nápady, ktoré zahŕňajú nahradenie hlavného zdroja pohybu takejto plachty zo slnečného svetla na laserový lúč. Pôvodne sa plánovalo inštalovať zdroj tohto lúča na Zemi, no teraz sa objavili oveľa odvážnejšie návrhy na vytvorenie takýchto štruktúr niekde na samostatných planétach Slnečnej sústavy alebo dokonca na vesmírnych staniciach v medzihviezdnom priestore. Ideálnou možnosťou by bolo nasadenie celého systému laserových inštalácií na ceste k iným hviezdam. To je však záležitosť ďalekej budúcnosti.

Príbeh

Pôvod myšlienky solárnej plachty treba hľadať v dielach slávneho škótskeho fyzika Jamesa Maxwella (druhá polovica devätnásteho storočia), ktorý sformuloval elektromagnetickú teóriu svetla a predpovedal existenciu svetelného tlaku.

Sny o vesmírnych lodiach, ktoré sa budú pohybovať vďaka tlaku slnečného svetla, sa objavili už koncom devätnásteho storočia v dielach autorov sci-fi. Napríklad román „Nezvyčajné dobrodružstvá ruského vedca“ od Francúzov Georgesa le Forta a Henriho de Graffinyho hovorí o expedícii na Venuši, počas ktorej sa na pohyb použilo obrovské parabolické zrkadlo.

Je iróniou, že práve ruský vedec vyvinul vôbec prvý skutočný dizajn lietadla na slnečnej plachte. Sovietsky inžinier Friedrich Zander predložil v roku 1924 komisii pre vynálezy zodpovedajúcu žiadosť, ale odborníci ju označili za príliš fantastickú a zamietli ju.

Na Západe je myšlienka vytvorenia slnečnej plachty spojená predovšetkým so slávnym astronómom, astrofyzikom a popularizátorom vedy Carlom Saganom. Bol veľkým zástancom medzihviezdneho letu a ako vedec sa stal jedným z najuznávanejších konzultantov NASA.

Sagan prvýkrát spomenul myšlienku solárnej plachty v roku 1976. Predtým čelil problému nemožnosti vesmírnych letov na veľké vzdialenosti pomocou lietadiel založených na fyzickom motore. Slnečná plachta však teoreticky umožnila dostať sa z tejto technologickej slepej uličky.

V roku 1980 Carl Sagan a podobne zmýšľajúci ľudia, ďalší slávni vedci, založili Planetárnu spoločnosť, ktorej cieľom je skúmať vesmír, hľadať mimozemský život a podporovať projekty na to zamerané. Táto organizácia je jedným z hlavných podporovateľov a lobistov myšlienky solárnej plachty.

Pokusy o vytvorenie

V roku 1974 sa inžinierom podarilo prvýkrát využiť solárny vietor. Stalo sa tak v rámci štartu americkej automatickej medziplanetárnej stanice Mariner 10. Jeho solárne panely fungovali ako solárna plachta. Boli natočené v požadovanom uhle k Slnku, čo umožnilo upraviť polohu lode v priestore.

Ďalším dizajnom podobným solárnej plachte bol reflektor Znamya-2, inštalovaný v roku 1993 na orbitálnej stanici Mir. Nepoužíval sa však ako urýchľovač, ale ako dodatočný zdroj svetla pre Zem. Tento dizajn vytvoril na povrchu našej planéty obrovskú „slnečnú škvrnu“ s priemerom 8 kilometrov.

Následne proces vytvárania a nasadzovania solárnych plachiet čelil skutočnému zlému osudu. Tak v roku 2005 spadla pri štarte ruská raketa Volna, ktorá vynáša na obežnú dráhu satelit Cosmos-1 so slnečnou plachtou s priemerom 30 metrov.

Pokusy o vypustenie solárnych plachiet v rokoch 2001 a 2005 skončili neúspechom. Raketa Falcon 1 americkej spoločnosti vypustená v auguste 2008 mala vyslať na obežnú dráhu aj slnečnú plachtu NanoSail-D. Po troch minútach letu však spadla.

Prvý skutočne úspešný štart solárnej plachty sa uskutočnil v roku 2010 v rámci japonského projektu IKAROS. Japonskí inžinieri ho poslali na obežnú dráhu a dokázali úplne nasadiť polyamidový film s hrúbkou 7,5 mikrónu a plochou 196 metrov štvorcových.

Táto solárna plachta fungovala dlhé mesiace počas letu robotickej medziplanetárnej stanice Akatsuki smerom k Venuši. Možno to stále funguje, ale od roku 2012 neexistuje žiadne spojenie so zariadením.

V novembri 2010 vyniesla americká raketa Minotaur-4 na obežnú dráhu slnečnú plachtu NanoSail-D2. Objekt letel okolo Zeme osem mesiacov a mnohým obyvateľom našej planéty sa ho podarilo vidieť na nočnej oblohe v podobe jasného bodu plávajúceho po oblohe.

A potom ďalšie zlyhanie. Alebo skôr nedostatok šťastia. V januári 2015 plánovala NASA vypustiť na obežnú dráhu slnečnú plachtu Sunjammer pomenovanú podľa rovnomenného príbehu Arthura C. Clarka pomocou súkromnej nosnej rakety Falcon 9. Mal to byť najväčší objekt svojho druhu v histórii, pretože jeho plocha je asi 1200 metrov štvorcových.

V novembri 2014 však vyšlo najavo, že Americká vesmírna agentúra tento štart zrušila, takže raketa Falcon 9 sa dostala na obežnú dráhu bez slnečnej plachty na palube. Spustenie Sunjammeru bolo teraz odložené na rok 2018.

Súčasné a budúce projekty

Teraz späť k Planetárnej spoločnosti. Práve ona iniciovala spustenie solárnej plachty LightSail-1, ktorej testovacie využitie prebehne 30. mája 2015. Je pravda, že zatiaľ hovoríme iba o vývoji technológií a nie o plnohodnotnom projekte.

Plachta LightSail-1 má rozlohu 32 metrov štvorcových. Bude spárovaný s miniatúrnym CubeSatom (rovnakým ako NanoSail-D2). Účelom tohto štartu je otestovať systémy nasadzovania plachiet, ako aj riadiace a komunikačné systémy. Zariadenie bude na obežnej dráhe fungovať maximálne desať dní. Navyše ho možno pozorovať zo Zeme v noci.

Ak tieto testovacie testy prinesú pozitívny výsledok, Planetary Society už v roku 2016 vypustí na obežnú dráhu plnohodnotnú slnečnú plachtu LightSail-1. Fungovať bude vo výške 800 kilometrov a prevádzková doba tohto zariadenia bude približne štyri mesiace.

Tvorcovia LightSail-1 dúfajú, že počas tejto doby preskúmajú možnosti manévrovania vo vesmíre pomocou solárnej plachty.

Zaujímavosťou je, že Planetárna spoločnosť sa rozhodla požiadať všetkých obyvateľov Zeme o pomoc pri financovaní tohto projektu. Organizácia spustila fundraisingovú kampaň na Kickstarteri. Začalo to len pred pár dňami a už vyzbieralo približne 763-tisíc dolárov, pričom pôvodne sa požadovalo 200-tisíc. Momentálne do jej fondu prispelo viac ako 15-tisíc ľudí.

Dá sa povedať, že skutočná história solárnych plachiet sa začína priamo pred našimi očami. Krásna teória, ktorá nám dáva perspektívu medzihviezdneho cestovania, zostáva zatiaľ len teóriou. V najbližších desaťročiach však prax ukáže, aké správne sú predpoklady Maxwella, Zandera a Sagana.

Solárna plachta je však len jednou z mnohých technológií, ktoré vám v budúcnosti otvoria cestu ku hviezdam. O ďalších, nemenej odvážnych a geniálnych nápadoch si môžete prečítať v.

Myšlienka, že svetlo môže vyvíjať tlak, sa pripisuje Johannesovi Keplerovi, inšpirovanému v roku 1619 trepotajúcimi sa chvostmi komét, keď sa pohybovali okolo Slnka. V roku 1873 James Maxwell na základe svojej elektromagnetickej teórie svetla teoreticky odhadol veľkosť tohto tlaku a v roku 1900 náš krajan, slávny fyzik Pyotr Lebedev, dokázal experimentálne zistiť a zmerať silu tlaku svetla. Rusi boli prví, ktorí sa rozhodli použiť solárny pohon – spisovateľ sci-fi Boris Krasnogorsky už v roku 1913 napísal o solárnej plachte. Vo svojom románe Na vlnách éteru sa loď Space Conqueror pohybovala vesmírom pomocou slnečného svetla a prstencového zrkadla vyrobeného z najtenších plátov lešteného kovu. A v polovici 20. rokov 20. storočia sa tejto myšlienky chopil aj v Rusku vedec a vynálezca Friedrich Zander, jeden zo zakladateľov teórie vesmírnych letov a prúdových motorov. V roku 1924 predložil Výboru pre vynálezy originálnu žiadosť o vesmírne lietadlo, ktoré by využívalo obrovské a veľmi tenké zrkadlá na cestovanie v medziplanetárnom priestore.

Vtedy túto myšlienku nikto nebral vážne – vhodné materiály a technológie jednoducho neexistovali. V šesťdesiatych rokoch sa však spisovatelia sci-fi vrátili k solárnym plachtám (známym príkladom je príbeh Arthura C. Clarka „Slnečný vietor“) a potom inžinieri. V 70. rokoch 20. storočia NASA vážne uvažovala o solárnej plachte ako o jednej z možností motora pre sondu, ktorá sa vydala na stretnutie s Halleyho kométou. Od tejto myšlienky sa z rôznych dôvodov upustilo, no nezabudlo sa na ňu.
V roku 2000 v NPO pomenovanom po. Lavočkin a Inštitút pre výskum vesmíru (IKI) Ruskej akadémie vied začali pracovať na programe CASP (Solar Sail Spacecraft). Projekt sponzorovala Planetárna spoločnosť Spojených štátov amerických, ktorú v roku 1980 založili traja vedci – profesor Caltech Bruce Murray, zamestnanec JPL Louis Friedman a astronóm a spisovateľ Carl Sagan a verejná organizácia Cosmos Studios vedená Ann Druyan, vdovou Carla Sagana. Solárna plachta je tenká, 5 mikrónov hrubá, polyesterová fólia, potiahnutá na „slnečnej“ strane submikrónovou vrstvou hliníka (koeficient odrazu 0,85). „Takýto film je dosť silný, ale ak ho poškodí napríklad mikrometeorit, prasknutie sa okamžite rozšíri po celom povrchu,“ povedal ruský projektový manažér Viktor Kudrjašov pre Popular Mechanics. – Aby sa fólia neroztrhla, je vystužená. V našom prípade bola plachtovina vystužená úzkymi pásikmi špeciálnej pásky, ktorá bráni roztrhnutiu a bráni im „preliezať“ cez celú plachtu.“
Medzi možnými dizajnmi plachiet v NPO pomenovaných po. Lavočkin sa rozhodol pre „kvet“ s 8 okvetnými lístkami. Každý trojuholníkový okvetný lístok s plochou 75 metrov štvorcových sa musel rozvinúť a podoprieť špeciálnym pneumatickým rámom, ktorý po naplnení dusíkom stuhne. Po zložení sa okvetný lístok vloží do nádoby s veľkosťou tehly - najprv sa vysaje, odstráni sa zvyšný vzduch a potom sa mnohokrát zloží podľa špeciálne navrhnutého vzoru kladenia. Po otvorení je vesmírna plachetnica malá (1 m dlhá) plošina, z ktorej „vyrastá“ 8 trojuholníkových okvetných lístkov. „Pre kozmickú loď so solárnou plachtou má let na obežnej dráhe blízko Zeme svoje vlastné charakteristiky. V rôznych časoch môže byť osvetlená Slnkom alebo byť v tieni Zeme. Na organizáciu riadenia zariadenia sa plánovalo najmä otáčanie plátkov plachiet okolo osi každého z nich,“ hovorí Viktor Kudryashov.
Prečo sú potrebné solárne plachty? Veď ich ťah je veľmi nízky (tlak slnečného žiarenia na úrovni zemskej obežnej dráhy na dokonale odrážajúce zrkadlo s plochou 1000 m 2 je len 10 mN) a je neporovnateľný s výkonnými prúdovými motormi. Motory na chemické palivo však dokážu fungovať stovky sekúnd, plazmové motory tisíce hodín a oba sú obmedzené prísunom pracovnej tekutiny. Plachty však dokážu poskytnúť ťah, kým ich povrch ožiari Slnko (podľa astronómov to bude trvať asi 5 miliárd rokov) a nespotrebuje sa ani energia, ani pracovná tekutina. Preto sa solárnym plachtám otvárajú svetlé vyhliadky. Žiaľ, let solárnej plachetnice s posádkou na palube je zatiaľ záležitosťou ďalekej budúcnosti. Ale automatické stanice vybavené takýmto motorom sú v blízkej budúcnosti realitou. O plachetniciach sa vážne uvažuje ako o sondách na let k vnútorným planétam Slnečnej sústavy, k Plutu ak niektorým asteroidom a kométam. Pre priblíženie sa k hraniciam Slnečnej sústavy, kde je intenzita slnečného žiarenia výrazne znížená, sa už objavujú fantastické projekty orbitálnych laserov, ktoré „tlačia“ plachtu.
Dnes je kozmická loď so solárnou plachtou schopná riešiť nielen vedecké problémy. Jednou z jeho skutočných aplikácií by mohol byť projekt neziskovej organizácie pomenovaný po ňom. Lavočkin a IKI RAS „Slnečné počasie“. Hovoríme o 30-kilogramovom vesmírnom observatóriu na pozorovanie Slnka a predpovedanie magnetických búrok, ktoré sa nachádza vo vzdialenosti napríklad tri milióny kilometrov pozdĺž línie Zem – Slnko. To je dvakrát bližšie k Slnku ako libračný bod (čiže gravitačná rovnováha), v ktorom visí európsko-americké slnečné observatórium SOHO. Pomocou plachty s rozlohou 1 000 metrov štvorcových bude Solar Weather kompenzovať zvýšenú gravitačnú silu Slnka – vďaka čomu bude možné varovať pred magnetickou búrkou dlhšie vopred, ako je tomu v súčasnosti.
Ruská solárna plachta mala smolu - v 83. sekunde letu došlo k poruche na prvom stupni Volnej a raketa sa zrútila do mora (rovnaký osud postihol aj prototyp, ktorý spustila aj Volna - v roku 2001 sa mal demonštrovať možnosť nasadenia dvoch „okvetných lístkov“) Projektový riaditeľ a výkonný riaditeľ americkej Planetárnej spoločnosti Louis Friedman sa však myšlienky nemieni vzdať: „Stávajú sa aj zlyhania. Ale hneď po páde Cosmos-1 som začal dostávať správy od vedcov, inžinierov a jednoducho nadšencov a všetci jednomyseľne povedali: „Vyrobme ďalšiu solárnu plachtu a vypustme ju!“ To je celkom v súlade s našimi vlastnými plánmi. Samozrejme, s najväčšou pravdepodobnosťou bude potrebné zmeniť nosnú raketu a teraz zvažujeme dve možné možnosti - Sojuz-Fregat a Kosmos-3M. Zostáva len nájsť financie – celý projekt bude stáť asi 4 milióny dolárov.“ Ale v súčasnosti podľa oficiálnej webovej stránky NPO pomenovanej po. Lavočkin, projekt novej solárnej plachty, bohužiaľ, bol zmrazený.

Dizajn "slnečnej plachty" Cosmos-1 Kozmická loď so solárnou plachtou (SASP), na ktorej sú zvonku nainštalované špeciálne zložené plátky plachiet, je malá - približne 1 meter dlhá a 100 kg vážiaca, ale to jej nebráni v tom, aby obsahovala všetky systémy potrebné na prevádzku. samotného zariadenia a plachty. Základom konštrukcie KASP je prístrojová platforma, na ktorej je namontovaný zrýchľovací pohon, 4 solárne panely, servisná technika, foto a televízne kamery, antény a hlavne blok solárnych plachiet. Po zložení každý z 8 okvetných lístkov predstavuje malé balenie 30 cm x 20 cm x 20 cm. Týchto 8 balení je umiestnených v dvoch rovinách – 4 v každej. Okvetné lístky sa rozvinú v dvoch fázach: najprv sa otvoria 4 okvetné lístky ležiace v jednej rovine a potom 4 okvetné lístky ležiace v druhej. Každý okvetný lístok, keď sa roztiahne, je rovnoramenný trojuholník, ktorý sa rozširuje od pozdĺžnej osi zariadenia k okraju. Týchto 8 okvetných lístkov je usporiadaných tak, že po rozmiestnení všetkých ôsmich tvoria takmer kruh s priemerom asi 30 ma plochou 600 metrov štvorcových. Okvetné lístky slnečnej plachty sú vyrobené z 5-mikrónového hrubého polymérového filmu, ktorý je na jednej strane pokovovaný (smerom k Slnku). Pozdĺž dvoch dlhých strán každého okvetného lístka je pneumatický rám, čo je dutá rúrka s priemerom 15 cm a je tiež vyrobená z polymérového materiálu, ale s hrúbkou nie 5, ale 20 mikrónov. Rám je potrebný na organizáciu procesu rozkladania každého okvetného lístka (stlačený dusík sa dodáva vnútri trubice na príkaz na otvorenie plachty a postupne sa odvíjajúce trubice rozťahujú tenké plátky) a vytvárajú tuhosť pre každú časť plachty. Každý okvetný lístok má schopnosť otáčať sa okolo montážnej osi pod daným uhlom. Ťah slnečnej plachty zabezpečujú fotóny. Pri pohltení alebo odraze od slnečnej plachty prenesú svoj impulz (v prvom prípade jednoduchý, v druhom dvojitý) do kozmickej lode. Kozmickú plachtu tlačí svetlo a nie slnečný vietor (na rozdiel od vetrom poháňaných plachetníc). Slnečný vietor je tok plazmy, relatívne pomalých (300–700 km/s) nabitých častíc, najmä protónov a elektrónov (sú tam jadrá hélia a dokonca aj ióny ťažších prvkov), viazaných vlastným magnetickým poľom. Slnečný vietor pochádza z koróny a „fúka“ smerom k hraniciam slnečnej sústavy. Interakcia s magnetickým poľom Zeme spôsobuje polárnu žiaru a pri kométach vedie k tvorbe ich plazmových alebo iónových chvostov. Slnečný vietor síce nie je možné „zapriahnuť“ do plachiet kozmických lodí kvôli jeho extrémnej riedkosti (tlak je asi tisíckrát menší ako svetlo), ale je zvláštne, že tento spôsob pohybu vo vesmíre navrhol práve on: v 17. storočia Johannes Kepler na základe pozorovaní chvostov komét naznačil, že plachetnice by sa mohli pohybovať po oblohe.