Uma vela solar é uma maneira de impulsionar uma espaçonave usando a pressão da luz e gases de alta velocidade (também chamados de pressão da luz solar) emitidos por uma estrela. Vamos dar uma olhada em seu dispositivo.
Usar uma vela significa viagens espaciais de baixo custo combinadas com vida útil prolongada. Devido à f alta de muitas partes móveis, bem como a necessidade de uso de propelente, tal navio é potencialmente reutilizável para a entrega de cargas. Os nomes luz ou vela de fótons também são usados às vezes.
História conceitual
Johannes Kepler uma vez notou que a cauda de um cometa olha para longe do Sol e sugeriu que é a estrela que produz esse efeito. Em uma carta a Galileu em 1610, ele escreveu: "Dê ao navio uma vela adaptada à brisa solar, e haverá quem se atreva a explorar esse vazio". Talvez, com essas palavras, ele se referisse precisamente ao fenômeno da "cauda do cometa", embora publicações sobre esse tema tenham surgido vários anos depois.
James K. Maxwell na década de 60 do século XIX publicou a teoria do campo eletromagnético eradiação, na qual ele mostrou que a luz tem momento e, portanto, pode exercer pressão sobre os objetos. As equações de Maxwell fornecem a base teórica para a locomoção de pressão leve. Portanto, já em 1864, era conhecido dentro e fora da comunidade física que a luz solar carrega um impulso que exerce pressão sobre os objetos.
Primeiro, Pyotr Lebedev demonstrou experimentalmente a pressão da luz em 1899, e então Ernest Nichols e Gordon Hull conduziram um experimento independente semelhante em 1901 usando o radiômetro de Nichols.
Albert Einstein introduziu uma formulação diferente, reconhecendo a equivalência de massa e energia. Agora podemos simplesmente escrever p=E/c como a razão entre momento, energia e velocidade da luz.
Svante Arrhenius previu em 1908 a possibilidade da pressão da radiação solar transportar esporos vivos em distâncias interestelares e, como resultado, o conceito de panspermia. Ele foi o primeiro cientista a afirmar que a luz poderia mover objetos entre as estrelas.
Friedrich Zander publicou um artigo incluindo uma análise técnica da vela solar. Ele escreveu sobre "o uso de enormes e muito finas folhas de espelhos" e "a pressão da luz solar para atingir velocidades cósmicas."
Os primeiros projetos formais para desenvolver esta tecnologia começaram em 1976 no Jet Propulsion Laboratory para uma proposta de missão de encontro com o Cometa Halley.
Como funciona uma vela solar
Luz afeta todos os veículos na órbita do planeta ou emespaço interplanetário. Por exemplo, uma espaçonave convencional com destino a Marte estaria a mais de 1.000 km de distância do Sol. Esses efeitos foram levados em consideração no planejamento da trajetória da viagem espacial desde a primeira espaçonave interplanetária na década de 1960. A radiação também afeta a posição do veículo, e esse fator deve ser levado em consideração no projeto do navio. A força na vela solar é de 1 newton ou menos.
O uso desta tecnologia é conveniente em órbitas interestelares, onde qualquer ação é realizada em ritmo lento. O vetor de força da vela leve é orientado ao longo da linha do sol, o que aumenta a energia da órbita e o momento angular, fazendo com que a nave se afaste do sol. Para alterar a inclinação da órbita, o vetor força está fora do plano do vetor velocidade.
Controle de posição
Um Sistema de Controle de Atitude (ACS) de uma espaçonave é necessário para alcançar e mudar a posição desejada enquanto viaja pelo Universo. A posição definida do aparelho muda muito lentamente, muitas vezes menos de um grau por dia no espaço interplanetário. Este processo ocorre muito mais rápido nas órbitas dos planetas. O sistema de controle de um veículo que usa uma vela solar deve atender a todos os requisitos de orientação.
O controle é obtido por um deslocamento relativo entre o centro de pressão do vaso e seu centro de massa. Isso pode ser alcançado com palhetas de controle, movendo velas individuais, movendo uma massa de controle ou alterando o refletorhabilidades.
A posição em pé requer que o ACS mantenha o torque líquido em zero. O momento de força da vela não é constante ao longo da trajetória. Varia com a distância do sol e ângulo, que corrige o eixo da vela e desvia alguns elementos da estrutura de sustentação, resultando em alterações de força e torque.
Restrições
A vela solar não poderá funcionar a uma altitude inferior a 800 km da Terra, pois até esta distância a força de resistência do ar supera a força de pressão leve. Ou seja, a influência da pressão solar é fracamente perceptível e simplesmente não funcionará. A taxa de giro do veleiro deve ser compatível com a órbita, o que geralmente é apenas um problema para configurações de disco giratório.
A temperatura de operação depende da distância solar, ângulo, refletividade e radiadores dianteiros e traseiros. A vela só pode ser usada onde a temperatura é mantida dentro dos limites do material. Geralmente, pode ser usado bem perto do sol, em torno de 0,25 UA, se o navio for cuidadosamente projetado para essas condições.
Configuração
Eric Drexler fez um protótipo de vela solar de um material especial. É uma moldura com um painel de filme fino de alumínio com espessura de 30 a 100 nanômetros. A vela gira e deve estar constantemente sob pressão. Este tipo de estrutura tem uma área elevada por unidade de massa e, portanto,aceleração "cinquenta vezes mais rápida" do que aqueles baseados em filmes plásticos implantáveis. É uma vela quadrada com mastros e linhas gêmeas no lado escuro da vela. Quatro mastros que se cruzam e um perpendicular ao centro para segurar os fios.
Design Eletrônico
Pekka Janhunen inventou a vela elétrica. Mecanicamente, tem pouco em comum com o design de luz tradicional. As velas são substituídas por cabos condutores (fios) endireitados dispostos radialmente ao redor do navio. Eles criam um campo elétrico. Estende-se várias dezenas de metros no plasma do vento solar circundante. Os elétrons solares são refletidos pelo campo elétrico (como fótons em uma vela solar tradicional). O navio pode ser dirigido regulando a carga elétrica dos fios. A vela elétrica tem 50-100 fios endireitados, com cerca de 20 km de comprimento.
Do que é feito?
O material desenvolvido para a vela solar da Drexler é um fino filme de alumínio com 0,1 micrômetro de espessura. Como esperado, demonstrou força e confiabilidade suficientes para uso no espaço, mas não para dobrar, lançar e implantar.
O material mais comum em projetos modernos é o filme de alumínio "Kapton" de 2 mícrons de tamanho. Resiste a altas temperaturas perto do Sol e é forte o suficiente.
Houve algumasespeculações sobre a aplicação de técnicas de fabricação molecular para criar uma vela avançada, forte e ultraleve baseada em grades de tecido de nanotubos onde as "lacunas" tecidas são menos da metade do comprimento de onda da luz. Tal material foi criado apenas em laboratório, e os meios de fabricação em escala industrial ainda não estão disponíveis.
A vela leve abre grandes perspectivas para viagens interestelares. Claro, ainda existem muitas questões e problemas que terão que ser enfrentados antes de viajar pelo universo com um projeto de espaçonave assim se tornar uma coisa comum para a humanidade.
