Päikesepurjed — kuidas valgus- ja kiirgussurve kosmoselaevasid liigutab
Päikesepurjed: kuidas valgus- ja kiirgussurve liigutab kosmoselaevu — ajalugu, teadus ja praktilised rakendused.
Päikesepurjed (või valguspurjed või fotoonipurjed) on kavandatud meetod kosmoselaevade liikumapanemiseks, mis kasutab päikesevalguse poolt tekitatud kiirgussurvet. Sõna "puri" on analoogia paatidele, mis kasutavad liikumiseks tuule abil purjeid. Ideed ja mõtteharjutused päikesepurje kasutamisest päritavad kaugest minevikust; esimest korda pakkus selle mõiste välja 17. sajandil Johannes Kepler, kellel oli teooria, et purjeid saab kohandada "taevaste tuulte" järgi. Tänapäeval on päikesepurjed nii teaduslikult kui tehniliselt realistlik lähenemine kiiruse ja kütuse kokkuhoiuks kosmoselendudel, eriti kui vajatakse pikka, väikest, kuid pidevat tõmbejõudu.
Kuidas päikesepurjed töötavad
1865. aastal avaldas James Clerk Maxwell oma teooria elektromagnetiliste väljade ja kiirguse kohta. Ta näitas, et valgus (üks elektromagnetilise kiirguse vorm) võib objektile survet avaldada. Seda survet nimetatakse kiirgussurveks. Päikesekiirgus avaldab purjele survet peegeldumise ja väikese osa neeldumise tõttu — iga foton kannab impulssi ja selle fotoni suuna muutmine purjel annab sellele impulssi üle.
Praktiliselt väljendatuna on kiirgussurve päikesest Maa kaugusel väga väike: ideaalse peegeldava pinna korral on ligikaudne surve ~9×10−6 N/m2, neelduva pinna korral ligikaudu poole väiksem. Sellest tulenev kiirendus sõltub purje pindala ja kogu kosmoselaeva massi suhtest (mass pindala kohta). Kui mass on väga väike ja pind väga suur, võib pidev, kuigi nõrk, tõmbejõud aja jooksul viia suure kiirusehüppeni — see on päikesepurje tähtsaim eelis: pidev väike tõmbejõud annab pikas plaanis suuri kiiruseid ilma kütuse kuluta.
Kiirgussurve tugevus väheneb kaugusega päikesest ruudu alusel (1/r2), seega on päikesepurje effekt tugevam lähimal päikese juures. Teine lähenemine on kasutada suunatud välist kiirgust (näiteks võimsad laserid või mikrolainetid), mis võimaldaks säilitada suurema survet suurema vahemaa tagant — sellised ideed on uuritud ka tähtedevaheliste väljumismissioonide kontekstis.
Ajalooline taust ja varajased ideed
Kepleri mõttekäigu ja Maxwelli teoreetilise aluse järel hakkasid 20. sajandi alguses ja keskpaigas astronoomid ja kosmosetehnikud päikesepurjedat ideed arutama praktilise mehaanilisena. Mõned varased kosmonautikaettevõtjad ja teoreetikud, sh Konstantin Ciolkovski ning Friedrich Zander, kirjutasid ja spekuleerisid purjede võimalustest kosmoses.
Praktilised demonstreerimised ja kaasaegsed katsetused
Päikesepurjeid on reaalselt testitud ja kasutatud väiksemates ülesannetes. Näited tegelikest missioonidest hõlmavad JAXA IKAROSi (2010), mis demonstreeris laialdase õhukese purje mõõkõrna avanemist ja päikesesurve kasutamist trajektoori mõjutamiseks, ning The Planetary Society'i LightSail katseid (LightSail 1 ja LightSail 2), kus 2019. aastal LightSail 2 edukalt kasutas päikesekiirgust altõuke saamiseks. Samuti on läbi viidud NanoSail-D tüüpi demonstreerimisi ja paljud ülikoolid ning ettevõtted töötavad edasi arendusvariantide kallal.
Rakendused ja piirangud
- Rakendused: päikesepurjed sobivad hästi planeetidevahelisteks missioonideks, mis vajavad pikka perioodi kestvat väikest tõmbejõudu; nad võivad vähendada vajadust kütuse järele, aidata orbiidi hoidmisel (stationkeeping), juhtida orientatsiooni ja pakkuda uut võimalust väikeste satelliitide manööverdamiseks.
- Piirangud: väga suur nõue massi ja pinna suhtarvule — purje peab olema väga kerge ja suure pindalaga; materjalide vastupidavus päikese UV-kiirgusele, termilistele koormustele ja mikrometeoroididele on probleem; purjede efektiivsus väheneb kiiresti päikesest kaugenedes; suunatud juhtimine ja avamine keerukad, nõuavad täpset orienteerimist.
Tehnilised lahendused ja variandid
Päikesepurje konstruktsioonid võivad olla väga erinevad: peegeldavad kileplaadid, mitmekihilised komposiitmaterjalid, „heliogyro“ tüüpi pöörlevad labad ja isegi vormitud optilised pinnad. Osad uurimised keskenduvad kõrgefektiivsetele peegeldavatele katetele, teised arendavad mikrostruktuure, redukteerides kaalu ja parandades manööverdamisvõimet. Lisaks on uuritud ka lasersurve abil kiirendamist (beam-driven sails), mis võimaldaks suuremat algkiirendust ja teoreetiliselt ka tähtedevahelisi katseid (näiteks Breakthrough Starshot kontseptsioon).
Mõju kosmoselendude planeerimisele
Marsile suunduv tüüpiline kosmoseaparaat nihkub päikesesurve tõttu tuhandeid kilomeetreid. Mõju on planeerimisel ette nähtud. Seda on tehtud juba 1960. aastate esimeste planeetidevaheliste kosmoselaevade ajast alates. Päikesesurve mõjutab ka kosmoseaparaadi orienteerumist, mida arvestatakse kosmoseaparaadi projekteerimisel — nii võibki päikesepurje tehnoloogia vähendada traditsioonilise kütuse vajadust või täiendada olemasolevaid propulsioonisüsteeme.
Kultuuriline mõju ja ulmekirjandus
Päikesepurje kontseptsiooni kasutati hiljem ka ulmekirjanduses, näiteks Jules Verne'i teostes ning paljudes hilisemas teaduslikus ulmes, kus purjedena kasutatakse kas päikese- või lasersurvet koduplaneedilt kaugele liikumiseks. Ulme on aidanud levitada mõistet ja inspireerinud teadlasi ning insenere ideid reaalseks muutma.
Tulevik
Päikesepurjed jätkavad huvi äratamist nii teadlaste kui kommertstootjate hulgas. Kui materjalitehnoloogia, purjekonstruktsioonid ja täpsed juhtimissüsteemid arenevad, võivad päikesepurjed muutuda tavapärasemaks vahendiks väikeste ja keskmiste missioonide puhul, samuti võimaluseks vaadelda ja külastada piirkondi, kuhu traditsioonilised kütusepõhised süsteemid on ebaotstarbekad. Uued ideevariandid — nagu laseritega kiirendatavad purjed — võivad avada tee ka veelgi ambitsioonikamateks missioonideks.
Milline võiks välja näha päikesepurje (koos väikese kosmoseaparaadiga).
20x20m katsepurje
Teooria
Päikesepurje idee seisneb selles, et päikesepurje abil kasutatakse Päikeselt lähtuvat kiirgussurvet kosmoseaparaadi liigutamiseks, kasutades selleks tõenäoliselt suuri peegleid (suuri valgust peegeldavaid pindu). Meetodi puuduseks on see, et tekitatud tõukejõud on väga väike. Eeliseks on see, et kütust ei ole vaja (niikaua kui on valgust). Seetõttu peetakse seda võimalikuks võimaluseks tulevaste kosmoseaparaatide jaoks. Siiani on katseteks kasutatud ainult väikeseid katseversioone.
Näiteks 800 korda 800 meetri suurusele päikesepurjele mõjuv kogujõud on Maa ja Päikese vahelisel kaugusel umbes 5 njuutonit, mis teeb sellest madala tõukejõuga tõukejõusüsteemi, mis sarnaneb elektrimootoritega liikuvatele kosmosesõidukitele. Kuna see ei kasuta mingit raketikütust, on jõud peaaegu pidev. Kollektiivne mõju on aja jooksul piisavalt suur, et seda võiks pidada kosmoseaparaatide liikumapanekuks.
Ajalugu
Kontseptsiooni esimese kasutamise plaanid koostasid 1970ndatel aastatel Bruce Murray ja Louis Friedman, kaks teadlast NASA Pasadenas, Californias asuvas Jet Propulsion Laboratory's.
21. mail 2010 käivitas Jaapani Kosmoseuuringute Agentuur (JAXA) edukalt päikesepurje IKAROS (Interplanetary Kite-Craft Accelerated by Radiation Of The Sun). See kasutas päikesepurje Maa ja Veenuse vahelises kosmoses. See oli esimene päikesepurje edukas kasutamine.
2010. aastal käivitas NASA päikesepurjeka NANOSEL-D2. See oli NASA esimene edukas päikesepurjekate.
2. juulil 2019 käivitas Ameerika Ühendriikides asuv Planet Society satelliidi LightSail 2, mis on kavandatud päikesepurje tehnoloogia abil. Kerge satelliit, käivitati SpaceXi Falcon Heavy raketiga Kennedy kosmosekeskusest Floridas. See oli väikese eelarvega missioon, mida rahastati 50 000 liikme annetustest. Kogu eelarve oli alla 7 miljoni USA dollari. 2019. aasta juuli lõpus avas LightSail 2 oma päikesepurje. Selleks kulus umbes 3 minutit.
Küsimused ja vastused
K: Mis on päikesepurje?
V: Päikesepurjekas (või valguspurjekas või fotoonipurjekas) on kavandatud meetod kosmoseaparaadi liikumapanemiseks, mis kasutab päikesevalguse poolt tekitatud kiirgussurvet.
K: Kes pakkus esimesena välja päikesepurje kontseptsiooni?
V: Esmakordselt pakkus selle idee välja 17. sajandil Johannes Kepler.
K: Mida avaldas James Clerk Maxwell, mis pani aluse päikesepurje teadusele?
V: James Clerk Maxwell avaldas oma teooria elektromagnetiliste väljade ja kiirguse kohta, mis näitas, et valgus (üks elektromagnetilise kiirguse vorm) võib avaldada objektile survet, mida nimetatakse kiirgussurveks.
K: Kuidas mõjub päikesesurve kosmoselaevale?
V: Päikesesurve mõjub kosmoses või planeedi ümber tiirlevatele kosmoseaparaatidele, nihutades neid tuhandeid kilomeetreid ja mõjutades nende orientatsiooni.
K: Millal võeti seda mõju esimest korda arvesse planeetidevaheliste missioonide planeerimisel?
V: Seda on tehtud juba 1960. aastate esimeste planeetidevaheliste kosmoselaevade ajast alates.
K: Millistes muudes kontekstides on päikesepurje mõistet kasutatud?
V: Päikesepurje mõistet on kasutatud ka ulmekirjanduses, näiteks Jules Verne'i teostes.
Otsige