Sunčeva jedrilica

IKAROS sonda sa Sunčevim jedrom u letu (umjetnički prikaz)

Umjetnički prikaz svemirke letjelice Cosmos 1 u orbiti

Sunčeva jedrilica (ili solarno jedro) je oblik pogona svemirskih letjelica, koristeći tlak elektromagnetskog zračenja Sunca ili lasera, za potisak jako tankog ogledala, do velikih brzina. Godine 2010. IKAROS je bila prva svemirska letjelica koja je koristila taj pogon.

Osnove fizike

Postoje dva izvora Sunčevih sila. Prvi je tlak elektromagnetskog zračenja, a drugi Sunčev vjetar. Tlak elektromagnetskog zračenja stvara puno veći potisak. Godine 1924. ruski inženjer Friedrich Zander je predložio da Sunčevo svjetlo stvara vrlo malu količinu potiska, koje bi se moglo iskoristiti za svemirske letjelice i mogle letjeti bez goriva. Albert Einstein je tvrdio, što su pokusi i potvrdili, da fotoni stvaraju impuls sile p = E/c , tako da svaki foton kojeg neka površina upije ili odbije s površine, vrši mali tlak elektromagnetskog zračenja. U Zemljinoj orbiti, taj tlak iznosi oko 4,57x10^-6 N/m² , a ako je zračenje sasvim odbijeno s površine, i dvostruko veći je tlak. To je dokazao ruski fizičar Peter Lebedev 1900. i neki drugi znanstvenici, koristeći Nicholsov radiometer.

Sunčev vjetar i geomagnetske oluje, mogu inducirati električnu struju u dalekovodima i stvaraju rep kometa suprotno od Sunca te je njegov tlak na Zemljinu atmosferu oko of 3,4×10^-9 N/m², što je dosta manje od tlaka elektromagnetskog zračenja. Ipak, Sunčev vjetar prevladava kod nekih pojava, jer je poprječni prijerez toka vjetra puno veći od veličine fotona.

Pa iako su obadva tlaka vrlo mala, djelujući na velike Sunčeve jedrilice, u početku bi stvorili malo ubrzanja, ali nakon dužeg vremena, brzina kretanja bi bila značajna. Promjena smjera bi se mogla izvesti na dva načina. Prvo, ako se mijenja kut nagiba Sunčevog jedra prema Suncu ili koristeci mala krilca na krajevima jedra, za nježnu promjenu smjera. Drugo, može se koristiti gravitacijska sila planeta ili mjeseca za skretanje svemirskog broda.

Laserski pogon

Većina teoretskih studija smatra da bi se za pogon mogla koristiti i laserska zraka. To bi bilo povoljno, jer bi se laserska zraka mogla koristiti i za kočenje letjelice, s pogodno namještenim zrcalom.

Ograničenje Sunčeve jedrilice

Sunčeve jedrilice ne rade dobro u orbitama ispod 800 km od površine Zemlje zbog sile gravitacije. Iznad toga dobiva se malo ubrzanje i trebaju mjeseci da se dobije puna brzina. Sunčeve jedrilice trebaju biti jako velike, a korisni teret mali, pa to prestavlja veliki izazov za graditelje svemirskih letjelica.

Različite konstrukcije

Sunčeve jedrilice trebaju imati što manju masu, ali se pokazalo da je glavni tehnički problem spoj s nosačima i metalnim užetom. Konstrukciju s najvećim odnosom pogonske sile i mase je razvio 2007. Eric Drexler. Koristi reflektivni panel od tankog aluminijskog filma (30 – 100 nm) i napregnutu konstrukciju. Ona bi trebala rotirati s laganim potiskom. Uzorci materijala su napravljeni u labaratoriju, ali teško savladava savijanja i pregibe.

Dosad najveći odnos pogonske sile i mase je napravljen za kvadratno Sunčevo jedro, s jarbolima i konopcima na neozračenoj strani jedra. Obično su 4 jarbola na kutevima kvadrata, a nosač jarbola u sredini, zategnut s konopcima. Najveća prednost je što nema naboranih i vrećastih dijelova jedra, i jedro štiti nosače od Sunca. Zato ovaj tip može ići u blizini Sunca, gdje postoji najveći potisak na Sunčevo jedro.

1970-tih NASA laboratorij je razvio konstrukciju s rotirajućim krilima za susret s Halleyjevim kometom. Težnja je da se konstrukcija učvrsti s kutnim impulsom, bez potrebe za dijagonalama, što smanjuje masu. Nedostatak je što se stvaraju velika vlačna naprezanja i preslabi nosači dovode do vibracija, koje mogu dovesti do pucanja strukture. Kasnije je nastala varijanta Sunčevog helikoptera, s plastičnim krilcima. Iako konstrukcija nema bolji odnos pogonske sile i mase od kvadratne konstrukcije, prednost je lakša ugradnja. NASA je istraživala i konstrukciju s rotirajućim diskom. Ta konstrukcija ima otvore oko 5 % od ukupne površine.

Meteorološki institut iz Finske je razvio električnu Sunčevu vjetrenjaču, koja se potpuno razlikuje po konstrukciji od dosadašnjih oblika. Ona ima 50 – 100 dugačkih električnih konopa, dugačkih oko 20 km, koji su smješteni radijalno od centra. Slična ideja je magnetna Sunčeva jedrilica, koja koristi Sunčev vjetar

Ispitivanje Sunčevih jedrilica u svemiru

Sve do 2010. nijedno Sunčevo jedro nije upotrebljeno za pogon svemirskih letjelica. Japanska svemirska agencija JAXA lansira letjelicu IKAROS, koja je upotrijebila 200 m² poliimidno pokusno jedro 10. lipnja 2010. i letjela je 6 mjeseci do Venere, da bi nastavila prema Suncu.

Korištenje tlaka elektromagnetskog zračenja za kontrolu položaja

Svemirska letjelica Mariner 10, koja je letjela pokraj Merkura i Venere, koristili su tlak elektromagnetskog zračenja za kontrolu položaja, da bi sačuvali gorivo.

Testiranje ugradnje Sunčevog jedra

NanoSail-D od LightSail-1 s raširenim jedrom

NASA konstrukcija Sunčeve jedrilice. Jedro treba biti pola kilometra široko

1993. letjelica Znamya 2 je testirala uspješno ugradnju Sunčevog jedra, na svemirskoj stanici Mir, ali nije je koristila za pogon.

1999. Europska svemirska agencija je uspješno testirala ugradnju Sunčevog jedra u Kӧlnu.

2004. japanska svemirska agencija ISAS je testirala ugradnju dva probna Sunčeva jedra na visini 122 km, debljina materijala je bila 7,5 μm, ali nije koristila za pogon.

2010. NASA je lansirala malu letjelicu NanoSail-D2 i uspješno je instalirala Sunčevo jedro (10 m²) i iskoristila za pogon na kratko vrijeme.