Сонячне вітрило являє собою спосіб пересування космічного корабля з використанням тиску світлових і високошвидкісних газів (також званого тиском сонячного світла, випромінюваного зіркою. Розглянемо його докладніше пристрій. Використання вітрила передбачає недорогі космічні подорожі в поєднанні зі збільшеним терміном використання. З-за відсутності безлічі рухомих частин, а також необхідності використовувати пропелент, потенційно стає можливим багаторазове використання такого корабля для доставки корисних вантажів. Також іноді використовуються назви світловий або фотонний парус.

Історія концепції

Іоганн Кеплер якось зауважив, що хвіст комети дивиться у напрямку від Сонця, і припустив, що саме зірка виробляє такий ефект. У листі Галілею в 1610 році він писав: "Забезпечте корабель вітрилом, пристосованим до сонячного бризу, і знайдуться ті, хто наважиться дослідити і цю порожнечу". Можливо, при цих словах він посилався саме на феномен "хвоста комети", хоча публікації на цю тему з'явилися кілька років тому. Джеймс К. Максвелл у 60-х роках XIX століття опублікував теорію електромагнітного поля і випромінювань, в якій показав, що світло має імпульс і таким чином може чинити тиск на об'єкти. Рівняння Максвелла дають теоретичну основу для пересування за допомогою світлового тиску. Тому вже в 1864 році в співтоваристві фізиків і поза його було відомо, що сонячне світло несе імпульс, що чинить тиск на об'єкти. Спочатку Петро Лебедєв в 1899 році експериментально продемонстрував тиск світла, а потім Ернест Ніколс і Гордон Халл провели аналогічний незалежний експеримент в 1901 році з використанням радіометра Ніколса.


Альберт Ейнштейн представив інше формулювання, визнавши еквівалентність маси і енергії. Тепер ми можемо написати просто p = E/c як співвідношення між імпульсом, енергією і швидкістю світла. Сванте Арреніус передбачив у 1908 році можливість тиску сонячної радіації, яка переносить живі спори на міжзоряні відстані, і, як наслідок, поняття панспермії. Він був першим ученим, який заявив, що світло може переміщати об'єкти між зірками. Фрідріх Цандер опублікував документ, що включає технічний аналіз сонячного вітрила. Він писав про «використання величезних і дуже тонких аркушах дзеркал» і «тиску сонячного світла для досягнення космічних швидкостей». Перші офіційні проекти по розробці цієї технології розпочалися у 1976 році в Лабораторії реактивного руху для пропонованої місії «рандеву» з кометою Галлея.

Принцип роботи сонячного вітрила

Світло впливає на всі апарати на орбіті планети або в міжпланетному просторі. Наприклад, звичайний космічний корабель, на Марс, буде зміщений більш ніж на 1000 км за напрямком від Сонця. Ці ефекти враховуються при плануванні траєкторії космічного подорожі з часів самого першого міжпланетного космічного корабля 1960-х років. Випромінювання також впливає на позицію апарату, і цей фактор повинен враховуватися в проекті судна. Сила, що впливає на сонячне вітрило, становить 1 ньютон і менше.
Використання цієї технології зручно на міжзоряних орбітах, де будь-які дії виконуються низькими темпами. Вектор сили світлового вітрила орієнтований уздовж сонячної лінії, що збільшує енергію орбіти і момент імпульсу, в результаті чого корабель рухається далі від Сонця. Для зміни нахилу орбіти вектор сили виявляється поза площині вектора швидкості.

Контроль позиції

Система керування орієнтацією (ACS) космічного корабля необхідна для досягнення і зміни бажаної позиції при подорожі по Всесвіту. Задане положення апарату змінюється дуже повільно, часто менше одного градуса на день на міжпланетному просторі. Цей процес відбувається набагато швидше орбіти планет. Система управління апаратом, що використовують сонячне вітрило, повинна задовольняти всім вимогам до орієнтації. Контроль досягається шляхом відносного зсуву між центром тиску судна і його центром мас. Цього можна досягти за допомогою керуючих лопаток, руху окремих вітрил, переміщення контрольної маси або зміни відбивної здатності. Незмінна позиція вимагає, щоб ACS підтримував чистий крутний момент на нулі. Момент сили вітрила не постійний уздовж траєкторії. Зміни з відстанню від Сонця і кутом, який коригує вал вітрила і відхиляє деякі елементи опорної конструкції, що призводить до змін сили та крутного моменту.

Обмеження

Сонячне вітрило не зможе працювати на висоті нижче, ніж 800 км від Землі, так як до цього відстані сила опору повітря перевищує силу світлового тиску. Тобто вплив сонячного тиску слабо відчутно, і він просто не буде працювати. Швидкість повороту парусного судна повинна бути сумісна з орбітою, що зазвичай є проблемою тільки для конфігурації обертових дисків. Робоча температура залежить від сонячного відстані, кута, відбивної здатності, а також передніх і задніх випромінювачів. Парус можна використовувати тільки там, де температура підтримується в його матеріальних межах. Як правило, він може використовуватися досить близько до сонця, близько 025 астрономічних одиниць, якщо корабель ретельно спроектований для цих умов.

Конфігурація

Ерік Дрекслер виготовив прототип сонячного вітрила із спеціального матеріалу. Він являє собою каркас з панеллю з тонкої алюмінієвої плівки товщиною від 30 до 100 нанометрів. Парус обертається і повинен постійно перебувати під тиском. Конструкція такого типу має високу площею на одиницю маси і, отже, отримує прискорення «в п'ятдесят разів вище», ніж засновані на розгорнутих пластикових плівках. Вона являє собою квадратні вітрила з щоглами і парними лініями на темній стороні вітрила. Чотири пересічні щогли і одна - перпендикулярно центру, щоб утримувати дроти.

Електронна конструкція

Пекка Янхунен винайшов електричний парус. Механічно він має мало спільного з традиційним дизайном світлового. Вітрила замінюються випрямленими провідними тросами (проводами), радіально розташованими навколо корабля. Вони створюють електричне поле. Воно простягається на кілька десятків метрів у плазму навколишнього сонячного вітру. Сонячні електрони відображаються електричним полем (як фотони на традиційному сонячному вітрилі). Корабель може управлятися шляхом регулювання електричного заряду проводів. Електричний вітрило має 50-100 випрямлених проводів довжиною близько 20 км

З чого виготовлений?

Матеріал, розроблений для сонячного вітрила Дрекслера, являє собою тонку алюмінієву плівку завтовшки 01 мікрометра. Як і очікувалося, вона продемонструвала достатню міцність і надійність для використання в космосі, але не для складання, запуску і розгортання. Найбільш поширеним матеріалом у сучасних конструкціях є алюмінієва плівка "Каптон" розміром 2 мкм. Вона пручається високих температур поруч із Сонцем і досить міцна. Були деякі теоретичні припущення про застосування методів молекулярного виробництва для створення високого, сильного, надлегкого вітрила, заснованого на тканинних сітках з нанотрубок, де плетені «проміжки» менше половини довжини хвилі світла. Такий матеріал був створений тільки в лабораторних умовах, а кошти для виготовлення в промисловому масштабі поки недоступні. Світловий парус відкриває величезні перспективи для міжзоряних пересувань. Звичайно, є ще багато питань та проблем, з якими доведеться зіткнутися, перш ніж подорож по Всесвіту за допомогою такої конструкції космічного корабля стане звичною справою для людства.