Żagiel słoneczny już sunie po bezkresnym kosmosie. Wielkie przełom
Pierwsi odkrywcy korzystali z naturalnej siły wiatru, by pokonać gigantyczne wówczas odległości między lądami i kontynentami. Podobnej koncepcji trzymają się ich odpowiednicy z XXI wieku. Choć w kosmicznej próżni trudno liczyć na ruch powietrza.
Koncepcja żeglowania w przestrzeni kosmicznej przy użyciu kosmicznych wiatrów nie jest niczym nowym. Uczeni badają tę koncepcję od dekad i wiążą z nią ogromne nadzieje. Ten rodzaj napędu rozwiązuje przynajmniej częściowo jeden z największych problemów związanych z eksploracją kosmosu: niewystarczająca ilość energii. Najnowszy eksperyment Amerykanów zapowiada się na pełen sukces.
Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) to technologiczna demonstracja NASA, która wykorzystuje nowe technologie materiałowe dla systemów napędowych opierających się o koncepcję żagla słonecznego, które są przeznaczone do przyszłych misji w głębokim kosmosie i za sprawą których rzeczone misje mają być dużo mniejszym finansowym obciążeniem dla amerykańskiego podatnika. Podobnie jak żaglówka napędzana jest wiatrem, tak żagle słoneczne wykorzystują ciśnienie światła słonecznego do napędu, eliminując potrzebę konwencjonalnego paliwa rakietowego.
Kosmiczny weekend ze Spider’s Web:
ACS3, czyli jeszcze lepszy - w tym tańszy - żagiel słoneczny
Misja ACS3 wykorzystuje kompozytowe materiały - czyli połączenie materiałów o różnych właściwościach - w swoich nowatorskich, lekkich wysięgnikach, które rozkładają się z modułu CubeSat. Głównym celem demonstracji tej technologii było udane rozwinięcie żagla słonecznego z kompozytowymi wysięgnikami na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Po osiągnięciu przestrzeni kosmicznej, statek kosmiczny ACS3 rozwinął swoje panele słoneczne oraz żagiel słoneczny, za pomocą czterech wysięgników, które rozciągają się po przekątnych kwadratu i rozwijają się na długość około 7 metrów. Po około 25 minutach żagiel słoneczny był w pełni rozwinięty, a każdy z jego boków ma około 9 metrów.
Dane uzyskane z ACS3 będą pomocne przy projektowaniu przyszłych większych systemów żaglowych słonecznych, które mogą być wykorzystane do satelitów wczesnego ostrzegania przed zjawiskami pogodowymi w kosmosie, misji rekonesansowych bliskich asteroid Ziemi lub przekaźników komunikacyjnych dla misji eksploracyjnych z załogą.
To kolejny etap długiej kosmicznej i inżynieryjnej podróży. O co chodzi z tym żaglem słonecznym?
Pierwszą misją, która wykorzystała technologię żagla słonecznego, był IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), wystrzelony przez Japonię w 2010 r. Ten pomyślnie zademonstrował napęd żaglowy słoneczny w przestrzeni międzyplanetarnej. Technologia ta wykorzystuje ciśnienie światła słonecznego do poruszania się w przestrzeni kosmicznej. Działa to na zasadzie podobnej do żeglowania na wodzie, ale zamiast wiatru wykorzystuje się światło słoneczne.
Żagiel słoneczny jest dużą, cienką powierzchnią, zazwyczaj wykonaną z lekkiego materiału, takiego jak mylar lub kapton, który może być rozpostarty w przestrzeni kosmicznej. Światło słoneczne składa się z fotonów, które mają pęd, mimo że nie mają masy. Gdy foton uderza w żagiel, przekazuje mu część swojego pędu, co powoduje, że żagiel i przyczepiony do niego statek kosmiczny poruszają się. Ciśnienie światła słonecznego jest bardzo słabe, ale w przestrzeni kosmicznej, gdzie nie ma oporu powietrza, nawet ta niewielka siła może stopniowo przyspieszać statek kosmiczny do dużych prędkości. Żagle słoneczne mogą być również sterowane poprzez zmianę kąta padania światła słonecznego, co pozwala na manewrowanie statkiem kosmicznym.
Matematycznie siła ( F ) wywierana przez światło słoneczne na żagiel słoneczny można wyrazić jako:
gdzie ( P ) to moc światła słonecznego padającego na żagiel, ( c ) to prędkość światła, a ( theta ) to kąt padania światła na żagiel.
Żagle słoneczne mają kilka znaczących przewag nad tradycyjnymi systemami napędowymi w eksploracji kosmicznej. Eliminują potrzebę konwencjonalnego paliwa rakietowego. To sprawia, że systemy te są niezwykle lekkie i mogą działać nieograniczony czas, ograniczone tylko trwałością materiałów żagla i systemów elektronicznych statku kosmicznego. Na dodatek, ponieważ żagle słoneczne nie wymagają paliwa, misje kosmiczne mogą być tańsze w realizacji. Oszczędności wynikają również z mniejszej masy startowej, co obniża koszty wyniesienia ładunku w przestrzeń kosmiczną.
Istotnym atutem tej technologii jest też fakt, że żagle słoneczne umożliwiają prowadzenie misji przez długi czas bez konieczności uzupełniania paliwa. Ciągłe ciśnienie światła słonecznego zapewnia stałe przyspieszenie, co pozwala na osiąganie dużych prędkości w dłuższej perspektywie czasowej. Brak konieczności zabierania paliwa pozwala na większą swobodę w projektowaniu statków kosmicznych, co może być korzystne dla różnorodnych misji kosmicznych. Dlaczego więc jeszcze nie są powszechnie stosowane?
Żagle słoneczne wymagają niestety ciągłego dostępu do światła słonecznego, aby generować pęd. W miarę oddalania się od Słońca intensywność światła słonecznego maleje, co zmniejsza siłę napędową żagla. Mogą mieć też ograniczenia w manewrowaniu, ponieważ kierunek i prędkość statku kosmicznego można kontrolować tylko do pewnego stopnia. W obszarach cienia lub głębokiej przestrzeni, gdzie światło słoneczne jest ograniczone lub nieobecne, żagle słoneczne tracą zdolność do generowania napędu. Nie należy też zapominać, że żagle słoneczne generują stosunkowo niskie przyspieszenie w porównaniu z konwencjonalnymi systemami napędowymi, co oznacza, że osiągnięcie dużych prędkości może zająć dużo czasu.
Są też inne wyzwania. Rozwijanie dużych żagli słonecznych w przestrzeni kosmicznej może być trudne i ryzykowne. Wymaga to precyzyjnych mechanizmów i może napotkać problemy techniczne. Materiały używane do budowy żagli słonecznych muszą być lekkie, wytrzymałe i bardzo reflektywne. Znalezienie materiałów spełniających te kryteria jest wyzwaniem. Ponadto, żagle mogą ulegać uszkodzeniom strukturalnym z powodu nagrzewania się przez pochłanianie fotonów. Na dodatek wymagają regularnego czyszczenia, napraw i konserwacji, aby zapewnić optymalną wydajność i długowieczność, co może być czasochłonne i kosztowne.
To właśnie dlatego demonstracja ACS3 była tak ważna
Misja Advanced Composite Solar Sail System miała na celu przetestowanie i demonstrację technologii, która może pomóc w rozwiązaniu niektórych z powyższych wyzwań związanych z żaglami słonecznymi.
ACS3 wykorzystuje kompozytowe wysięgniki, które są lżejsze i potencjalnie bardziej wytrzymałe niż tradycyjne materiały. To może pomóc w rozwiązaniu problemów związanych z masą i wytrzymałością żagli słonecznych. Demonstracja obejmowała wspomniane rozwinięcie żagla słonecznego w przestrzeni kosmicznej, co pozwala na testowanie mechanizmów rozwijania w realnych warunkach kosmicznych.
Misja ta pozwoli na zebranie danych na temat efektywności odbijania światła słonecznego przez żagiel oraz sposobów sterowania nim, co jest kluczowe dla przyszłych misji wykorzystujących żagle słoneczne. ACS3 pozwala na przeprowadzenie testów w przestrzeni kosmicznej, co jest niezbędne do weryfikacji technologii żagli słonecznych i ich integracji z systemami statku kosmicznego. Uzyskane dane będą miały wpływ na projektowanie przyszłych większych systemów żaglowych słonecznych, które mogą być wykorzystane w różnych misjach kosmicznych.
