Zapomeňte na mezihvězdné lety. Drobné lehké plachty by dnes mohly být použity k prozkoumání sluneční soustavy

Sluneční plachty se v poslední době těší velké pozornosti. Částečně je to způsobeno řadou vysoce profilovaných misí, které tento koncept úspěšně prokázaly. Je to také částečně kvůli vysokému profilu Průlomový Starshot projekt, který navrhuje misi poháněnou solární plachtou Alfa Centauri . Tento všestranný systém třetího pohonu však není užitečný pouze pro daleká dobrodružství – má výhody i blíže k domovu. Nový dokument inženýrů na UCLA definuje, jaké jsou tyto výhody a jak bychom je mohli nejlépe využít.

Doslova hnací silou některých projektů solárních plachet jsou lasery. Tyto koncentrované paprsky světla jsou dokonalé pro zajištění tlačné síly proti sluneční plachtě. Jsou však také užitečné jako zbraně, pokud jsou příliš zvětšeny a odpařují vše, co jim stojí v cestě. Jako takové je jedním z hlavních konstrukčních omezení solárních plachetních systémů materiály, které vydrží vysoce výkonný laserový nápor, a přesto jsou dostatečně lehké, aby nezatížily plavidlo, ke kterému je připojeno, dodatečnou hmotností.

UT video pojednávající o tom, co je solární plachta.

Pro mise, které postgraduální student Ho-Ting Tung a Dr. Artur Davoyan z oddělení strojního inženýrství UCLA předpokládají, že hmotnost je nepatrná. Očekávají, že jakákoli plachetní loď bude vážit méně než 100 gramů. Těchto 100 gramů by zahrnovalo pole plachet, které měří až 10 cm čtverečních.

S tak malými hmotnostmi a velkou plochou přichází obrovská výhoda solárního plachtění – maximální rychlost dosažitelná touto technologií pohonu je skokově rychlejší než dvě tradičnější technologie – chemický a elektrický pohon. Studie se zaměřila na dva typy orbitálních manévrů běžně prováděných těmito jinými pohonnými systémy – jeden, kdy se plachta pohybovala po oběžné dráze Země, a jeden, kdy se pohybovala mezi planetami.

Schéma ukazuje, jak využít laserové urychlení k dosažení vnější sluneční soustavy mnohem rychleji než konvenční metody.
Kredit – Tung & Davoyan

První systém se zabývá tím, jak dlouho by trvalo přesunout se přes různé fáze úniku ze Země. Měřeno pomocí „?v“ (tj. zrychlení), stálý nárůst zrychlení poskytovaný laserem na sluneční plachtě by umožnil malé kosmické lodi dostat se z nízké oběžné dráhy Země na geostacionární dráhu za méně než několik minut a poté nahoru uniknout rychlost krátce poté.

Má také výhodu, že je schopen zrychlit rychleji než dosud nejrychlejší zrychlení kosmické lodi – rekord, který v současnosti drží Svítání během jeho pokusu dostat se do vnější sluneční soustavy. Tato nová sluneční plachta by dosáhla zrychlení asi za půl hodiny laserového času, čehož dosáhla Dawn 5 a půl roku pomocí svého elektrického pohonu.

UT video pojednávající o některých možnostech solárního plachtění.

Takové lineární zrychlení by také dramaticky zkrátilo časy meziplanetárních cest – taková sluneční plachta by mohla dosáhnout Marsu za 20 dní (ve srovnání s 200 normálně), Jupiteru za 120 dní (5 let pro Juno) a Pluta asi za 3 roky (10). let, kdy jsme naposledy navštívili New Horizons). Pokles cestovní doby znamená více příležitostí pro vědu, ale pouze pokud se přístroje na palubě vejdou do relativně malého a lehkého obalu, který plachta unese.

Samotné nástroje však nejsou jedinou důležitou součástí tohoto balíčku. Asi nejdůležitější je samotný design plachty. Jeho hlavní konstrukční omezení zabírají velkou část analýzy papíru. Musí být lehký, pevný/flexibilní, musí odrážet laser (tak, aby jej laser spíše tlačil, než aby byl absorbován) a musí být schopen odolat vysokým teplotám.

Obrázek z papíru ukazující rozdíly v dobách zrychlení a potenciálních trajektoriích, kterými by se sluneční plachta mohla ubírat.
Kredit – Tung & Davoyan

Poslední dvě omezení jsou spárována dohromady a byly skutečně středem zájmu papíru, protože vysoká odrazivost znamená menší potřebu odolávat vysokým teplotám. Po výběru laseru, který dobře funguje v atmosféře, přišel tým se dvěma typy materiálů, které by mohly dělat trik pro plachtu – nitrid křemíku a nitrid boru . V obou těchto materiálech je extrémně vysoká odrazivost kombinovaná s tepelnou emisivitou (jak dobře odvádí teplo) ideálními kandidáty pro splnění posledních dvou omezení.

Aby však bylo možné co nejlépe využít vlastnosti materiálu, musí být tvarovány tak, aby se využily jejich materiálové vlastnosti. V článku byly analyzovány dva typy struktur – „Braggův zásobník“ a reflektor s řízenou rezonancí (GMR). A Bragg stack je typ reflektoru s několika vrstvami materiálu, které tvoří vysoce kvalitní reflektor specifický pro vlnovou délku. A GMR reflektor , na druhé straně používá typ mřížky nebo hranolu k řízení vlnových délek, ve kterých se struktura odrazí.  V obou případech je struktura navržena tak, aby se světlo, které není na konkrétní vlnové délce laseru, neodráželo, což způsobuje minimální přebytek ohřev do pole panelů.

Ilustrace toho, jak by fungovala lehká plachta, s vybranou strukturou materiálu zobrazenou na dně.
Kredit – Tung & Davoyan

Nakonec je samotný dokument pouze pokusem navrhnout návrh budoucího konceptu mise. Neplánuje se nic konkrétního k přijetí některého z jeho návrhů. Je to však krok k pohledu na tuto potenciálně hru měnící technologii pohonu, která se teprve nyní začíná rozjíždět. Pokud to správně využijeme, solární plachtění by mohlo mít zásadní dopad jak na vědu, tak na ekonomiku vesmírného průzkumu.

Další informace:
arXiv - Photonic Design Light-Sail pro rychlý tranzit Země na oběžné dráze a meziplanetární lety
UT - Malý satelit se sluneční plachtou by mohl dohnat mezihvězdný objekt
UT - Chcete nejrychlejší solární plachtu? Pusťte to nejprve na slunce
UT - NASA testuje nové kompozitní materiály pro stavbu lehkých nosičů solárních plachet

Hlavní obrázek:
Umělecký koncept sluneční plachty
Kredit – Breakthrough Starshot