Güneş yelkeni - Solar sail

Güneş yelkenleri ( hafif yelkenler veya foton yelkenleri olarak da adlandırılır ), güneş ışığının büyük aynalara uyguladığı radyasyon basıncını kullanan bir uzay aracı tahrik yöntemidir . 1980'lerden bu yana, güneş enerjisi tahrikini ve navigasyonu test etmek için bir dizi uzay uçuşu görevi önerildi. Teknolojiden yararlanan ilk uzay aracı 2010 yılında fırlatılan IKAROS oldu .

Güneşte yelkene faydalı bir benzetme, bir yelkenli tekne olabilir; aynalara kuvvet uygulayan ışık, rüzgarın savurduğu bir yelkene benzer. Yüksek enerjili lazer ışınları , ışın yelkeni olarak bilinen bir kavram olan güneş ışığı kullanılarak mümkün olandan çok daha fazla güç uygulamak için alternatif bir ışık kaynağı olarak kullanılabilir. Güneş yelkenli teknesi, uzun çalışma ömürleri ile birlikte düşük maliyetli operasyonlar imkanı sunar. Birkaç hareketli parçaya sahip oldukları ve itici gaz kullanmadıkları için, potansiyel olarak yüklerin teslimi için birçok kez kullanılabilirler.

Güneş yelkenleri, astrodinamik üzerinde kanıtlanmış, ölçülü bir etkiye sahip bir fenomen kullanır. Güneş basıncı, gezegenler arası uzayda veya bir gezegenin veya küçük bir gövdenin etrafındaki yörüngede olsun, tüm uzay araçlarını etkiler . Örneğin, Mars'a giden tipik bir uzay aracı, güneş basıncıyla binlerce kilometre yer değiştirecektir, bu nedenle etkiler, 1960'ların en eski gezegenler arası uzay aracı zamanından beri yapılan yörünge planlamasında hesaba katılmalıdır. Güneş basıncı , uzay aracı tasarımına dahil edilmesi gereken bir faktör olan bir uzay aracının yönünü de etkiler .

Örneğin, 800'e 800 metrelik bir güneş yelkenine uygulanan toplam kuvvet , Dünya'nın Güneş'ten uzaklığında yaklaşık 5 Newton'dur (1,1  lbf ), bu da onu elektrik motorları tarafından tahrik edilen uzay aracına benzer bir düşük itişli tahrik sistemi yapar. itici gaz kullanmaz, bu kuvvet neredeyse sürekli olarak uygulanır ve zaman içindeki toplu etki, potansiyel bir uzay aracı sevk etme biçimi olarak kabul edilecek kadar büyüktür.

kavramın tarihi

Johannes Kepler , kuyruklu yıldız kuyruklarının Güneş'ten uzağa işaret ettiğini gözlemledi ve Güneş'in bu etkiye neden olduğunu öne sürdü. Galileo'ya 1610'da yazdığı bir mektupta, "Göksel esintilere uyarlanmış gemiler veya yelkenler sağlayın ve bu boşluğa bile cesaret edecek birileri olacaktır" diye yazmıştı. Kuyruklu yıldız kuyruklarıyla ilgili yayınları birkaç yıl sonra gelmesine rağmen, bu sözleri yazarken aklında kuyruklu yıldız fenomeni olabilirdi.

James Clerk Maxwell , 1861-1864'te, ışığın momentuma sahip olduğunu ve dolayısıyla nesneler üzerinde baskı uygulayabileceğini gösteren elektromanyetik alanlar ve radyasyon teorisini yayınladı . Maxwell denklemleri , hafif basınçla yelken açmak için teorik temeli sağlar. Böylece 1864'te fizik topluluğu ve ötesi, güneş ışığının nesneler üzerinde baskı uygulayacak bir momentum taşıdığını biliyordu .

Jules Verne , 1865'te yayınlanan From the Earth to the Moon'da şöyle yazmıştı: "Bir gün, [gezegenlerin ve mermilerin] bunlardan çok daha büyük hızlar ortaya çıkacak, bunların mekanik ajanı muhtemelen ışık ya da elektrik olacak... bir gün aya, gezegenlere ve yıldızlara seyahat edeceğiz." Bu muhtemelen ışığın gemileri uzayda hareket ettirebileceğine dair yayınlanan ilk tanımadır.

Pyotr Lebedev , 1899'da burulma dengesiyle yaptığı hafif basıncı başarılı bir şekilde gösteren ilk kişi oldu; Ernest Nichols ve Gordon Hull, 1901'de bir Nichols radyometresi kullanarak benzer bağımsız bir deney yaptılar .

Svante Arrhenius 1908'de güneş radyasyon basıncının yıldızlararası mesafeler boyunca yaşam sporlarını dağıtma olasılığını öngördü ve bu da panspermi kavramını açıklamak için bir yol sağladı . Görünüşe göre ışığın nesneleri yıldızlar arasında hareket ettirebileceğini belirten ilk bilim adamıydı.

Konstantin Tsiolkovsky ilk olarak uzay aracını uzayda ilerletmek için güneş ışığının basıncını kullanmayı önerdi ve "kozmik hızlara ulaşmak için güneş ışığının basıncını kullanmak için çok ince tabakalardan oluşan muazzam aynalar kullanmayı" önerdi.

Friedrich Zander (Tsander) 1925'te güneş yelkeninin teknik analizini içeren teknik bir makale yayınladı. Zander, "hafif basınç veya ışık enerjisinin çok ince aynalar aracılığıyla uzak mesafelere iletimi" kullanarak "küçük kuvvetler uygulamak" hakkında yazdı.

JBS Haldane , 1927'de insanlığı uzaya götürecek boru şeklindeki uzay gemilerinin icadı ve "Güneş'in radyasyon basıncını yakalamak için bir kilometrekare veya daha fazla alana sahip metalik folyo kanatların nasıl yayıldığı" hakkında spekülasyonlar yaptı.

JD Bernal 1929'da şöyle yazmıştı: "Rüzgar yerine Güneş ışınlarının itici etkisini kullanan bir uzay gemiciliği biçimi geliştirilebilir. Neptün'ün yörüngesinin sınırı. Ardından, hızını artırmak için, yerçekimi alanından aşağı inecek ve Güneş'in yanından hızla geçerken yeniden yelken açacaktı."

1970'lerde Carl Sagan , fotonları bir yönde yansıtacak ve momentum yaratacak dev bir yapı kullanarak ışıkta yelken açma fikrini popülerleştirdi . Fikirlerini üniversite derslerinde, kitaplarda ve televizyon programlarında gündeme getirdi. Halley Kuyruklu Yıldızı ile bir buluşma gerçekleştirmek için bu uzay aracını zamanında fırlatmaya kararlıydı . Ne yazık ki, görev zamanında gerçekleşmedi ve sonunda bunu görmek için asla yaşayamayacaktı.

Bir güneş yelkeni için ilk resmi teknoloji ve tasarım çabası, 1976'da, Halley Kuyruklu Yıldızı ile buluşma için önerilen bir görev için Jet Propulsion Laboratuvarı'nda başladı .

Fiziksel ilkeler

Güneş radyasyon basıncı

Birçok kişi güneş yelkenleri kullanarak bu uzay aracı gibi Güneş rüzgarların itilir inanıyoruz yelkenli ve yelken gemileri üzerinde sular üzerinde rüzgarların itilir Dünya'da . Ancak güneş radyasyonu , yansıma ve emilen küçük bir kısım nedeniyle yelken üzerinde bir baskı uygular .

Bir fotonun veya tüm akının momentumu, Einstein'ın bağıntısı ile verilir :

p = E/c

p momentum, E (foton veya akının) enerjisi ve c ışık hızıdır . Spesifik olarak bir fotonun momentumu dalga boyuna bağlıdır p = h/λ

Güneş radyasyon basıncı, 2011'de revize edildiği gibi , 1  AU'da (Dünya-Güneş mesafesi) 1361 W/m ^2'lik ışınım ( güneş sabiti ) değeri ile ilişkilendirilebilir :

• mükemmel absorbans: F = 4.54 μN/metrekare (4.54 μ Pa ) gelen ışın yönünde ( mükemmel esnek olmayan çarpışma )
• mükemmel yansıma: yüzeye dik yönde F = 9.08 μN metrekare (9.08 μPa) ( esnek çarpışma )

İdeal bir yelken düzdür ve %100 aynasal yansımaya sahiptir . Gerçek bir yelken 8.17 μN / m yaklaşık 90 ila yaklaşık% toplam verimini sahip olacaktır ² bağlı bir kavis (billow), kırışıklık, absorbans, önden yeniden radyasyon ve geri olmayan speküler etkiler ve diğer faktörlere bağlı olarak,.

Bir yelken üzerindeki kuvvet ve geminin gerçek ivmesi, Güneş'e olan uzaklığın ters karesine (Güneş'e aşırı derecede yakın olmadıkça) ve yelken kuvvet vektörü ile radyal arasındaki açının kosinüsünün karesine göre değişir. Güneş, yani

F = F ₀ cos ² θ / R ² (ideal yelken)

burada R, AU'da Güneş'ten uzaklıktır. Gerçek bir kare yelken şu şekilde modellenebilir:

F = F ₀ (0.349 + 0.662 cos 2θ − 0.011 cos 4θ) / R ²

İdeal bir yelkenden beklenebileceği gibi, kuvvet ve ivmenin genellikle 90° yerine θ = 60° civarında sıfıra yaklaştığını unutmayın.

Enerjinin bir kısmı emilirse, emilen enerji yelkeni ısıtır ve bu iki yüzeyin emisyonuna bağlı olarak bu enerjiyi ön ve arka yüzeylerden yeniden yayar .

Güneşten üflenen yüklü parçacıkların akışı olan güneş rüzgarı , yansıtıcı bir yelken üzerindeki güneş radyasyon basıncından üç kat daha az olan yaklaşık 3 ila 4 nPa'lık bir nominal dinamik basınç uygular .

Yelken parametreleri

Yelken yükü (alan yoğunluğu), g/m ^{2 olarak} ifade edilen, yelken alanına bölünen toplam kütle olan önemli bir parametredir . Yunan harfi σ ile temsil edilir.

Bir yelkenli teknenin, Güneş'e baktığında 1 AU'da deneyimleyeceği , a _c karakteristik bir ivmesi vardır . Bu değerin hem olayı hem de yansıyan momentumları hesaba kattığını unutmayın. 1 AU'da radyasyon basıncının metrekaresi başına 9.08 μN'nin üstündeki değeri kullanarak, a _c , alan yoğunluğu ile şu şekilde ilişkilidir:

a _c = 9.08(verimlilik) / σ mm/s ²

%90 verimlilik varsayıldığında, a _c = 8,17 / σ mm/s ²

Hafiflik sayısı, λ, Güneş'in yerel yerçekimine bölünen maksimum araç ivmesinin boyutsuz oranıdır. 1 AU'daki değerleri kullanarak:

λ = bir _c / 5.93

Hafiflik sayısı Güneş'ten olan mesafeden de bağımsızdır çünkü hem yerçekimi hem de ışık basıncı Güneş'ten olan uzaklığın ters karesi olarak düşer. Bu nedenle, bu sayı, belirli bir gemi için mümkün olan yörünge manevra türlerini tanımlar.

Tablo bazı örnek değerler sunmaktadır. Yükler dahil değildir. İlk ikisi, 1970'lerde JPL'deki ayrıntılı tasarım çabasından. Üçüncüsü, kafes yelkenci, olası en iyi performans seviyesini temsil edebilir. Kare ve kafes yelkenlerin boyutları kenarlardır. Heliogyro için boyut, bıçak ucundan bıçak ucuna kadardır.

Tip	σ (g/m 2 )	bir c (mm/sn 2 )	λ	Boyut (km 2 )
Kare yelken	5.27	1.56	0.26	0.820
Heliogyro	6.39	1.29	0.22	15
kafes yelkenci	0.07	117	20	0,840

tutum kontrolü

Bir yelkenli teknenin istenen bir yönelimi elde etmesi ve sürdürmesi için aktif bir durum kontrol sistemi (ACS) gereklidir. Gerekli yelken yönü, gezegenler arası uzayda yavaş (genellikle günde 1 dereceden az) değişir, ancak gezegen yörüngesinde çok daha hızlı değişir. ACS, bu oryantasyon gereksinimlerini karşılayabilmelidir. Tutum kontrol araçlarının arasındaki nispi kayma ile elde edilir basınç merkezi ve kütle merkezinde . Bu, kontrol kanatları, bireysel yelkenlerin hareketi, bir kontrol kütlesinin hareketi veya yansıtıcılığın değiştirilmesi ile elde edilebilir.

Sabit bir tutum tutmak, ACS'nin teknede sıfır net tork tutmasını gerektirir. Bir yelken veya yelken takımı üzerindeki toplam kuvvet ve tork, bir yörünge boyunca sabit değildir. Kuvvet, güneş mesafesi ve yelken açısı ile değişir, bu da yelkendeki dalgayı değiştirir ve destek yapısının bazı elemanlarını saptırır, bu da yelken kuvvetinde ve torkunda değişikliklere neden olur.

Yelken sıcaklığı da güneş mesafesi ve yelken açısı ile değişir, bu da yelken boyutlarını değiştirir. Yelkenden yayılan ısı, destekleyici yapının sıcaklığını değiştirir. Her iki faktör de toplam kuvveti ve torku etkiler.

İstenen tutumu korumak için ACS'nin tüm bu değişiklikleri telafi etmesi gerekir.

kısıtlamalar

Dünya yörüngesinde, güneş basıncı ve sürükleme basıncı tipik olarak yaklaşık 800 km yükseklikte eşittir, bu da bir yelkenli teknenin bu yüksekliğin üzerinde çalışması gerektiği anlamına gelir. Yelkenli tekne, dönüş hızlarının yörüngelerle uyumlu olduğu yörüngelerde çalışmalıdır, bu genellikle yalnızca dönen disk konfigürasyonları için bir endişe kaynağıdır.

Yelken çalışma sıcaklıkları güneş mesafesinin, yelken açısının, yansıtmanın ve ön ve arka emisyonların bir fonksiyonudur. Bir yelken, ancak sıcaklığı malzeme sınırları içinde tutulduğunda kullanılabilir. Genel olarak, bir yelken Güneş'e oldukça yakın, 0.25 AU civarında veya bu koşullar için dikkatlice tasarlanmışsa daha da yakın kullanılabilir.

Uygulamalar

Yelkenli tekneler için potansiyel uygulamalar , Güneş'in yakınından Neptün'ün ötesindeki kuyruklu yıldız bulutlarına kadar Güneş Sistemi boyunca uzanmaktadır. Tekne, yükleri teslim etmek veya varış noktasında istasyon tutmak için giden seferler yapabilir. Kargo taşımak için kullanılabilirler ve muhtemelen insan seyahati için de kullanılabilirler.

Iç gezegenler

İç Güneş Sistemi içindeki yolculuklar için, yükleri teslim edebilir ve daha sonra gezegenler arası bir mekik olarak çalışarak sonraki yolculuklar için Dünya'ya geri dönebilirler. Jerome Wright'a göre, özellikle Mars için, gemi gezegendeki operasyonları rutin olarak tedarik etmenin ekonomik yollarını sağlayabilir, "Gerekli konvansiyonel itici gazları Dünya'dan fırlatmanın maliyeti, insanlı görevler için çok büyük. Yelkenli gemilerin kullanılması potansiyel olarak 10 dolardan fazla tasarruf sağlayabilir. milyarlarca görev maliyeti."

Güneş yelkenli teknesi, gözlem yüklerini teslim etmek veya istasyon tutma yörüngelerini almak için Güneş'e yaklaşabilir. 0.25 AU veya daha yakın bir değerde çalışabilirler. Polar dahil olmak üzere yüksek yörünge eğimlerine ulaşabilirler.

Güneş yelkenleri tüm iç gezegenlere gidip gelebilir. Merkür ve Venüs gezileri, faydalı yük için buluşma ve yörünge girişi içindir. Mars'a yapılan geziler, aerodinamik frenleme için yükün serbest bırakılmasıyla ya randevu için ya da yan yana olabilir .

Yelken boyutu m	Merkür Randevusu		Venüs randevusu		Mars randevusu		Mars Aerobrake
	günler	ton	günler	ton	günler	ton	günler	ton
800 σ = 5 g/m 2 yüksüz	600	9	200	1	400	2	131	2
	900	19	270	5	500	5	200	5
	1200	28			700	9	338	10
2000 σ = 3 g/m 2 yüksüz	600	66	200	17	400	23	131	20
	900	124	270	36	500	40	200	40
	1200	184			700	66	338	70

Dış gezegenler

Dış gezegenlere minimum transfer süreleri, dolaylı bir transferin (güneş salınımı) kullanılmasından yararlanır. Ancak bu yöntem, yüksek varış hızlarıyla sonuçlanır. Daha yavaş transferler daha düşük varış hızlarına sahiptir.

Jüpiter'e 1 mm/sn ^2'lik bir _c için minimum transfer süresi, Dünya'ya göre hareket hızı olmadan, dolaylı transfer (güneş salınımı) kullanıldığında 2 yıldır. Varış hızı ( V _∞ ) 17 km/s'ye yakındır. Satürn için minimum yolculuk süresi 3,3 yıldır ve varış hızı yaklaşık 19 km/s'dir.

Dış gezegenlere minimum süreler ( a _c = 1 mm/s ² )

	Jüpiter	Satürn	Uranüs	Neptün
zaman, yıl	2.0	3.3	5.8	8.5
Hız, km/s	17	19	20	20

Oort Bulutu/Güneş'in iç yerçekimi odağı

Güneş'in iç çekim odak noktası, Güneş'ten en az 550 AU uzaklıkta yer alır ve uzak nesnelerden gelen ışığın Güneş'in yanından geçmesi sonucunda yerçekimi tarafından odaklandığı noktadır . Bu, güneş yerçekiminin Güneş'in diğer tarafındaki derin uzay bölgesinin odaklanmasına neden olacağı uzak noktadır, böylece çok büyük bir teleskop objektif merceği olarak etkin bir şekilde hizmet eder.

Bu yapılan bir şişirilmiş yelken, önerilmiştir berilyum Güneş'ten 0.05 AU başlar 36.4 m bir ilk ivme kazandırmak ki, / s ² ve 0.00264c bir hıza ulaşmak az (950 km hakkında / s) bir gün. Güneş'e bu kadar yakınlık, berilyumun yüksek sıcaklıklarda yapısal bozunması, yüksek sıcaklıklarda hidrojenin difüzyonu ve berilyumun güneş rüzgarından iyonlaşmasıyla üretilen elektrostatik bir gradyan nedeniyle yakın vadede pratik olmayabilir. patlama riski. 0,1 AU'luk revize edilmiş bir perihelion, yukarıda belirtilen sıcaklık ve güneş akısına maruz kalmayı azaltacaktır. Böyle bir yelken "Heliopause ulaşmak için iki buçuk yıl, Güneş'in iç yerçekimi odağına ulaşmak için altı buçuk yıl, iç Oort Bulutu'na en fazla otuz yıl içinde varış" alacaktı. "Böyle bir görev, yolda yararlı astrofiziksel gözlemler yapabilir, yerçekimi odaklama tekniklerini keşfedebilir ve o bölgedeki güneş kaynaklı değil galaktik olan parçacıkları ve alanları keşfederken Oort Bulut nesnelerini görüntüleyebilir."

uydular

Robert L. Forward , bir uydunun Dünya etrafındaki yörüngesini değiştirmek için bir güneş yelkeninin kullanılabileceğini yorumladı. Limitte, bir uyduyu Dünya'nın bir kutbunun üzerinde "uçurmak" için bir yelken kullanılabilir. Güneş yelkenleriyle donatılmış uzay aracı, Forward tarafından " statite " olarak adlandırılan bir tür uydu olan Güneş'e veya Dünya'ya göre sabit olacak şekilde yakın yörüngelere de yerleştirilebilir . Bu mümkündür, çünkü yelken tarafından sağlanan itme, Güneş'in yerçekimsel çekimini dengeler. Böyle bir yörünge, Güneş'in özelliklerini uzun süreler boyunca incelemek için faydalı olabilir. Aynı şekilde, güneş yelkenli bir uzay aracı da , yelkeni gezegenin yerçekimine karşı koymak için gereken uygun açıda yatırarak, Dünya gibi bir gezegenin kutupsal güneş terminatörünün neredeyse üzerindeki istasyonda kalabilir .

Robert Zubrin , The Case for Mars adlı kitabında , Mars gezegeninin kutup sonlandırıcısının yakınına yerleştirilmiş büyük bir statitten yansıyan güneş ışığının, gezegenin atmosferini önemli ölçüde ısıtmak için Mars kutup buzullarından birine odaklanabileceğine dikkat çekiyor. Böyle bir statit asteroit malzemeden yapılabilir.

yörünge düzeltmeleri

HABERCİ etrafında dönen prob Mercury Mercury yolda iyi yörünge düzeltmeleri yapmak için kendi güneş panelleri üzerinde hafif bir basınç kullanılır. Güneş panellerinin Güneş'e göre açısını değiştirerek, uzay aracı yörüngesini iticilerle mümkün olandan daha hassas bir şekilde ayarlamak için güneş radyasyonu basıncının miktarı değiştirildi. Küçük hatalar, yerçekimi destekli manevralarla büyük ölçüde artırılır, bu nedenle çok küçük düzeltmeler yapmak için radyasyon basıncını kullanmak, büyük miktarda itici gaz tasarrufu sağlar.

yıldızlararası uçuş

1970'lerde Robert Forward , dev yelkenleri ışık hızının önemli bir kısmına itmek için lazerler veya maserler kullanan iki ışınla çalışan tahrik şeması önerdi .

Bilim kurgu romanı Rocheworld'de Forward, süper lazerler tarafından yürütülen hafif bir yelkeni anlattı. Yıldız gemisi hedefine yaklaştığında, yelkenin dış kısmı ayrılacaktı. Dış yelken daha sonra yeniden odaklanacak ve lazerleri daha küçük, iç yelkene yansıtacaktır. Bu, gemiyi hedef yıldız sisteminde durdurmak için frenleme itişi sağlayacaktır.

Her iki yöntem de anıtsal mühendislik zorlukları doğurur. Lazerler, yıllarca sürekli olarak gigawatt gücünde çalışmak zorunda kalacaktı . Forward'ın buna çözümü, Merkür gezegeninde veya yakınında inşa edilecek devasa güneş paneli dizilerini gerektiriyor. Lazerlerin yelkene odaklanmasını sağlamak için gezegen boyutunda bir ayna veya fresnel merceğin Güneş'ten birkaç düzine astronomik birime yerleştirilmesi gerekir . Dev fren yelkeni, fren ışınını iç "yavaşlama" yelkenine odaklamak için hassas bir ayna görevi görmelidir.

Potansiyel olarak daha kolay bir yaklaşım, yelkene yönlendirilen mikrodalgaların dalga boyu ile aynı aralığa sahip bir tel ağından oluşan bir "güneş yelkenini" sürmek için bir maser kullanmak olacaktır, çünkü mikrodalga radyasyonunun manipülasyonu manipülasyondan biraz daha kolaydır. görünür ışıktan. Varsayımsal " Starwisp " yıldızlararası sonda tasarımı, onu itmek için görünür ışık yerine mikrodalgaları kullanacak. Maser'lar, daha uzun dalga boyları nedeniyle optik lazerlerden daha hızlı yayıldı ve bu nedenle etkili bir menzile sahip olmayacaklardı.

Maser'lar ayrıca, mikrodalga radyasyonuyla çarpıldığında buharlaşmak üzere tasarlanmış bir kimyasal katmanla kaplanmış geleneksel bir yelken olan boyalı bir güneş yelkenine güç sağlamak için de kullanılabilir. Bu buharlaşma tarafından üretilen momentum , hafif ablatif lazer tahrikinin bir biçimi olarak güneş yelkenleri tarafından üretilen itmeyi önemli ölçüde artırabilir .

Enerjiyi uzak bir güneş yelkenine daha fazla odaklamak için Forward, geniş bir bölge plakası olarak tasarlanmış bir mercek önerdi . Bu, lazer veya usta ile uzay aracı arasında bir yere yerleştirilecektir.

Fiziksel olarak daha gerçekçi bir yaklaşım da, hızlandırmak için Güneş'ten gelen ışığı kullanmak olacaktır. Gemi, yelken üzerindeki güneş enerjisi girdisini en üst düzeye çıkarmak için önce Güneş'e yakın bir geçiş yaparak bir yörüngeye düşecek, ardından Güneş'ten gelen ışığı kullanarak sistemden uzaklaşmaya başlayacaktı. Hızlanma yaklaşık olarak Güneş'e olan uzaklığın ters karesi kadar düşecek ve belirli bir mesafenin ötesinde, gemi artık onu önemli ölçüde hızlandırmak için yeterli ışık almayacak, ancak ulaşılan son hızı koruyacaktır. Hedef yıldıza yaklaşırken, gemi yelkenlerini ona doğru çevirebilir ve yavaşlamak için hedef yıldızın dışa doğru basıncını kullanmaya başlayabilir. Roketler güneş itişini artırabilir.

Yönlendirilmiş panspermi için diğer güneş sistemindeki yaşamı genişletmek için benzer güneş yelkenli fırlatma ve yakalama önerildi . % 0.05 hızları, ışık hızı 0.1 g / etkin alansal yoğunluğa sahip ince, güneş yelken araçlar kullanılarak, 10 Kg yüklerinin taşıyan Güneş yelkenleri ile elde edilebilir ² ince 0.1 yelkenleri ile  um bir kilometre mertebesinde kalınlığı ve boyutları . Alternatif olarak, her biri 10.000 kapsül yüz milyon ekstremofil mikroorganizmayı taşıyan , çeşitli hedef ortamlarda yaşam tohumlarını taşıyan, 42 cm yarıçaplı güneş yelkenlerinde 1 mm'lik kapsül sürüleri başlatılabilir .

Teorik çalışmalar, güneş yelkeninin bir süpernovadan yararlanması durumunda göreli hızları önerir.

Yapay uyduların yörüngeden çıkarılması

Küçük yapay uyduların Dünya yörüngelerinden ayrılmasını hızlandırmak için küçük güneş yelkenleri önerildi. Uydular alçak Dünya yörüngesine yelken güneş basınç bir arada kullanın ve uydu hızlandırmak için atmosferik sürükle artmış olabilir reentriyi . Cranfield Üniversitesi'nde geliştirilen yörüngeden çıkma yelkeni , 2014'te fırlatılan Birleşik Krallık uydusu TechDemoSat-1'in bir parçası ve uydunun beş yıllık kullanım ömrünün sonunda konuşlandırılması bekleniyor. Yelkenin amacı, uyduyu yaklaşık 25 yıllık bir süre içinde yörüngeden çıkarmaktır. Temmuz 2015'te DeorbitSail adlı İngiliz 3U CubeSat , 16 m ² deorbit yapısını test etmek amacıyla uzaya fırlatıldı , ancak sonunda onu konuşlandıramadı. Ayrıca 2017 yılında fırlatılması planlanan ve 4 m ² yörünge yelkenini test edecek olan PW-Sat2 adlı öğrenci 2U CubeSat görevi de bulunmaktadır . Haziran 2017'de InflateSail adlı ikinci bir İngiliz 3U CubeSat , 500 kilometre (310 mil) yükseklikte 10 m ^{2'lik bir} yörüngeden çıkma yelken açtı. Haziran 2017'de 3U Cubesat URSAMAIOR, Spacemind tarafından geliştirilen yörüngeden çıkma sistemi ARTICA'yı test etmek için düşük Dünya yörüngesine fırlatıldı . CubeSat yalnızca 0.4 U kaplar cihaz, 2.1 m olan bir yelken dağıtmak eder ² çalışma ömrü sonunda uydu deorbit için

Yelken konfigürasyonları

2010 yılında lansmanı yapılan IKAROS , ilk pratik güneş yelkenli aracıydı. 2015 itibariyle, uzun süreli görevler için bir güneş yelkeninin pratikliğini kanıtlayan, hala baskı altındaydı. Kare yelkeninin köşelerinde uç kütleleri ile spin konuşlandırılır. Yelken, buharlaştırılmış alüminyum ile kaplanmış ince poliimid filmden yapılmıştır. Elektrik kontrollü likit kristal paneller ile yön verir . Yelken yavaşça döner ve bu paneller aracın duruşunu kontrol etmek için açılır ve kapanır. Açık olduklarında, ışığı yayarlar ve yelkenin o kısmına momentum transferini azaltırlar. Kapalıyken, yelken daha fazla ışık yansıtır ve daha fazla momentum aktarır. Bu şekilde yelkeni çevirirler. İnce film güneş pilleri de yelkene entegre edilerek uzay aracına güç sağlıyor. Tasarım çok güvenilirdir, çünkü büyük yelkenler için tercih edilen spin dağıtımı, yelkeni açma mekanizmalarını basitleştirmiştir ve LCD panellerde hareketli parça yoktur.

Paraşütlerin kütlesi çok düşüktür, ancak paraşüt bir güneş yelkeni için uygulanabilir bir konfigürasyon değildir. Analizler, radyasyon basıncı aerodinamik basınç gibi davranmadığından ve paraşütü açık tutmak için hareket etmeyeceğinden, paraşüt konfigürasyonunun örtü hatları tarafından uygulanan kuvvetlerden çökeceğini göstermektedir.

Yere monte edilmiş konuşlandırılabilir yapılar için en yüksek itme-kütle tasarımları , yelkenin karanlık tarafında direkleri ve gergi çizgileri olan kare yelkenlerdir . Genellikle yelkenin köşelerini yayan dört direk ve merkezde gergi tellerini tutmak için bir direk vardır . En büyük avantajlarından biri, donanımda buruşma veya torbalanmadan kaynaklanan sıcak noktaların olmaması ve yelkenin yapıyı Güneş'ten korumasıdır. Bu form, bu nedenle, maksimum itme için Güneş'e yaklaşabilir. Çoğu tasarım, direklerin uçlarında küçük hareketli yelkenlerle yönlendirilir.

1970'lerde JPL , Halley Kuyruklu Yıldızı ile buluşma görevi için birçok dönen bıçak ve halka yelken üzerinde çalıştı . Amaç, açısal momentum kullanarak yapıları sertleştirmek, payanda ihtiyacını ortadan kaldırmak ve kütleden tasarruf etmekti. Her durumda, dinamik yüklerle başa çıkmak için şaşırtıcı derecede büyük miktarda çekme mukavemeti gerekiyordu. Daha zayıf yelkenler, yelkenin tutumu değiştiğinde dalgalanacak veya salınacak ve salınımlar eklenecek ve yapısal başarısızlığa neden olacaktır. Pratik tasarımlar arasındaki itme-kütle oranındaki fark neredeyse sıfırdı ve statik tasarımların kontrolü daha kolaydı.

JPL'nin referans tasarımına "heliogyro" adı verildi. Silindirlerden açılan ve dönerken merkezkaç kuvvetleri tarafından tutulan plastik film bıçakları vardı. Uzay aracının konumu ve yönü, bir helikopterin döngüsel ve toplu yunuslamasına benzer şekilde, kanatların açısını çeşitli şekillerde değiştirerek tamamen kontrol edilecekti . Tasarımın kare bir yelken üzerinde kütle avantajı olmamasına rağmen, yelkeni açma yöntemi payanda tabanlı bir tasarımdan daha basit olduğu için çekici kaldı. CubeSail (UltraSail) bir heliogyro yelken dağıtmak amaçlayan aktif bir projedir.

Heliogyro tasarımı, bir helikopterdeki kanatlara benzer. Yelkenlerin hafif santrifüj sertleşmesi nedeniyle tasarımın üretimi daha hızlıdır. Ayrıca, bıçaklar hafif ve uzun olduğu için maliyet ve hız açısından oldukça verimlidirler. Kare ve dönen disk tasarımlarından farklı olarak, bıçaklar bir makara üzerinde sıkıştırıldığı için heliogyro'nun yerleştirilmesi daha kolaydır. Bıçaklar, uzay aracından fırlatıldıktan sonra açılırken açılır. Heliogyro uzayda hareket ederken, merkezkaç ivmesi nedeniyle sistem kendi etrafında döner. Son olarak, uzay uçuşları için yükler, sabit uçuş sağlamak için ağırlık dağılımını eşitlemek için ağırlık merkezine yerleştirilir.

JPL ayrıca dönen bir uzay aracının kenarına bağlı paneller olan "halka yelkenlerini" (yukarıdaki diyagramda Dönen Disk Yelkeni) de araştırdı. Paneller, toplam alanın yaklaşık yüzde bir ila beşi arasında hafif boşluklara sahip olacaktır. Çizgiler bir yelkenin kenarını diğerine bağlardı. Bu hatların ortasındaki kütleler, radyasyon basıncının neden olduğu konilere karşı yelkenleri gergin bir şekilde çekecektir. JPL araştırmacıları, bunun büyük insanlı yapılar için çekici bir yelken tasarımı olabileceğini söyledi. Özellikle iç halka, Mars yüzeyindeki yerçekimine kabaca eşit bir yapay yerçekimine sahip olacak şekilde yapılabilir.

Bir güneş yelkeni, yüksek kazançlı bir anten olarak ikili bir işlev görebilir. Tasarımlar farklıdır, ancak çoğu , görünür ışık da dahil olmak üzere ilgilenilen radyo frekanslarında holografik monokromatik bir lens veya ayna oluşturmak için metalizasyon modelini değiştirir .

Elektrikli güneş rüzgar yelkeni

Pekka Janhunen dan FMI denilen güneş yelkenin bir tür önerdi elektrikli güneş rüzgarı yelken . Mekanik olarak geleneksel güneş yelken tasarımıyla çok az ortak noktası vardır. Yelkenler , ev sahibi geminin etrafına radyal olarak yerleştirilmiş düzleştirilmiş iletken ipler (teller) ile değiştirilir . Teller , tellerin etrafında bir elektrik alanı oluşturmak için elektriksel olarak yüklenir . Elektrik alanı, çevreleyen güneş rüzgarının plazmasına birkaç on metre uzanır. Güneş elektronları elektrik alanı tarafından yansıtılır (geleneksel bir güneş yelkenindeki fotonlar gibi). Yelkenin yarıçapı, gerçek telin kendisinden ziyade elektrik alanından gelir, bu da yelkeni daha hafif hale getirir. Tekne ayrıca tellerin elektrik yükünü düzenleyerek de yönlendirilebilir. Pratik bir elektrikli yelken, her biri yaklaşık 20 km uzunluğunda 50-100 düzleştirilmiş tele sahip olacaktır.

Elektrikli güneş rüzgar yelkenleri, elektrostatik alanlarını ve yelken tutumlarını ayarlayabilir.

Manyetik yelken

Bir manyetik yelken ayrıca güneş rüzgarı iş verilecek. Bununla birlikte, manyetik alan rüzgardaki elektrik yüklü parçacıkları saptırır. Tel döngüler kullanır ve statik bir voltaj uygulamak yerine bunların içinden statik bir akım geçirir.

Tüm bu tasarımlar, mekanizmalar farklı olsa da manevra yapar.

Manyetik yelkenler, güneş rüzgarında bulunan yüklü protonların yolunu büker . Yelkenlerin tutumlarını ve manyetik alanların boyutunu değiştirerek, itmenin miktarını ve yönünü değiştirebilirler.

Yelken yapımı

Malzemeler

Mevcut tasarımlardaki en yaygın malzeme, alüminize 2 µm Kapton filmi gibi bir polimer (plastik) levha üzerinde ince bir alüminyum kaplama tabakasıdır . Polimer, esnekliğin yanı sıra mekanik destek sağlarken, ince metal tabaka yansıtıcılık sağlar. Bu tür malzeme, Güneş'e yakın bir geçişin ısısına direnir ve yine de oldukça güçlü kalır. Alüminyum yansıtıcı film Güneş tarafındadır. Yelken evren 1 yapılmıştır alüminyum kaplanmış PET film ( Mylar ).

Eric Drexler , polimerin çıkarıldığı bir yelken konsepti geliştirdi. Çok yüksek itme gücüne sahip güneş yelkenleri önerdi ve yelken malzemesinin prototiplerini yaptı. Yelkeni, bir çekme yapısıyla desteklenen ince alüminyum filmden (30 ila 100 nanometre kalınlığında) paneller kullanacaktı . Yelken dönecekti ve sürekli olarak itme altında olması gerekecekti. Laboratuarda filmin örneklerini yaptı ve kullandı, ancak malzeme katlama, başlatma ve yerleştirmeye dayanamayacak kadar hassastı. Tasarım, film panellerinin uzaya dayalı üretimine dayanmayı ve bunları konuşlandırılabilir bir gerilim yapısına birleştirmeyi planladı. Bu sınıftaki yelkenler, birim kütle başına yüksek alan ve dolayısıyla, konuşlandırılabilir plastik filmlere dayalı tasarımlardan "elli kat daha yüksek" ivmeler sunacaktır. Drexler güneş yelkeni için geliştirilen malzeme, uzay tabanlı bir sistemde buhar biriktirme ile üretilecek olan 0.1 µm taban çizgisi kalınlığına sahip ince bir alüminyum filmdi. Drexler, yerde film hazırlamak için benzer bir işlem kullandı. Beklendiği gibi, bu filmler laboratuvarda kullanım ve uzayda kullanım için yeterli güç ve sağlamlık gösterdi, ancak katlama, fırlatma ve yerleştirme için değil.

Tarafından yapılan araştırma, Geoffrey Landis tarafından desteklenen 1998-1999, Gelişmiş Kavramları NASA Enstitüsü , gibi çeşitli malzemelerin göstermiştir alüminyum lazer lightsails ve için karbon elyaf mikrodalga itilir lightsails için daha önceden standart alüminyum ya da kapton filmler üstün yelken malzemelerdi.

2000 yılında, Energy Science Laboratories , güneş yelkenleri için faydalı olabilecek yeni bir karbon fiber malzeme geliştirdi . Malzeme, geleneksel güneş yelken tasarımlarından 200 kat daha kalındır, ancak o kadar gözeneklidir ki aynı kütleye sahiptir. Bu malzemenin sertliği ve dayanıklılığı, plastik filmlerden önemli ölçüde daha sağlam olan güneş yelkenlerini yapabilir. Malzeme kendi kendine dağılabilir ve daha yüksek sıcaklıklara dayanmalıdır.

Dokuma "boşluklarının" yelkene çarpan ışığın dalga boyunun yarısından daha az olduğu, nanotüp ağ örgülerine dayalı gelişmiş, güçlü, hiper-hafif yelken malzemesi oluşturmak için moleküler üretim tekniklerinin kullanılması hakkında bazı teorik spekülasyonlar olmuştur . Bu tür malzemeler, şimdiye kadar sadece laboratuar koşullarında üretilen ve endüstriyel bir ölçekte bu malzemeyi üretmek için araçlar henüz mevcut olmasa da, bu tür malzemeler kütle az 0.1 g / m olabilir ² herhangi bir mevcut yelken malzemeden daha onları daha hafif hale en az 30'luk bir faktör. Karşılaştırma için, 5 mikrometre kalınlığında Mylar yelken malzemesi kütlesi 7 g/m ² , alüminize Kapton filmleri 12 g/m ² kadar bir kütleye sahiptir ve Energy Science Laboratories'in yeni karbon fiber malzeme kütleleri 3 g / m ² .

En az yoğun metal, alüminyumdan yaklaşık 5 kat daha az yoğun olan lityumdur . Taze, oksitlenmemiş yüzeyler yansıtıcıdır. 20 nm kalınlığında, lityum 0.011 g bir alan yoğunluğu / m ² . Yüksek performanslı bir yelken, yalnızca 20 nm'de (emisyon katmanı olmadan) lityumdan yapılabilir. Uzayda üretilmeli ve Güneş'e yaklaşmak için kullanılmamalıdır. Limitinde, bir yelken zanaat yaklaşık 0.02 g / m arasında bir toplam alan yoğunluğuna sahip yapılabilecektir ² o 67 bir açıklık numarası ve vererek _c 400 mm ile ilgili / s arasında ² . Magnezyum ve berilyum da yüksek performanslı yelkenler için potansiyel malzemelerdir. Bu 3 metal kendi aralarında ve alüminyum ile alaşımlanabilir.

Yansıma ve emisyon katmanları

Alüminyum, yansıma katmanı için ortak seçimdir. Tipik olarak en az 20 nm kalınlığa ve 0.88 ila 0.90 arasında bir yansıtıcılığa sahiptir. Krom, Güneş'ten uzaktaki yüzeydeki emisyon tabakası için iyi bir seçimdir. Plastik film üzerinde 5 ila 20 nm arasındaki kalınlıklar için 0,63 ila 0,73 arasında emisyon değerleri kolaylıkla sağlayabilir. İnce film etkileri baskın olduğu için kullanılabilir emisyon değerleri deneyseldir; malzeme kalınlığı yayılan dalga boylarından çok daha ince olduğu için toplu emisyon değerleri bu durumlarda geçerli değildir.

Yapılışı

Yelkenler, şeritlerin açıldığı ve yelkenleri oluşturmak için birleştirildiği uzun masalarda Dünya'da üretilir. Yelken malzemesinin mümkün olduğunca az ağırlığa sahip olması gerekiyordu, çünkü tekneyi yörüngeye taşımak için mekiğin kullanılmasını gerektirecekti. Böylece bu yelkenler uzayda paketlenir, fırlatılır ve açılır.

Gelecekte, yörüngede, yelkeni destekleyen büyük çerçeveler içinde üretim gerçekleşebilir. Bu, daha düşük kütleli yelkenlerle ve konuşlandırma hatası riskinin ortadan kaldırılmasıyla sonuçlanacaktır.

Operasyonlar

yörünge değiştirme

İrtifa değişikliklerinin düşük oranlarda yapıldığı gezegenler arası yörüngelerde yelken operasyonları en basitidir. Dışa bağlı yörüngeler için, yelken kuvveti vektörü, yörünge enerjisini ve açısal momentumu artıran, teknenin Güneş'ten daha uzağa hareket etmesine neden olan Güneş hattının ilerisine yönlendirilir. İç yörüngeler için, yelken kuvvet vektörü, yörünge enerjisini ve açısal momentumu azaltan Güneş çizgisinin arkasına yönlendirilir ve bu da teknenin Güneş'e doğru hareket etmesine neden olur. Sadece Güneş'in yerçekiminin tekneyi Güneş'e doğru çektiğini belirtmekte fayda var - bir yelkenli teknenin rüzgara doğru bağlanmasına benzer bir şey yoktur. Yörünge eğimini değiştirmek için kuvvet vektörü, hız vektörünün düzleminden çıkarılır.

Gezegenlerin veya diğer cisimlerin etrafındaki yörüngelerde, yelken, kuvvet vektörünün hız vektörü boyunca, ya dışa doğru bir spiral için hareket yönünde, ya da bir içe doğru spiral için hareket yönüne karşı bir bileşeni olacak şekilde yönlendirilir.

Yörünge optimizasyonları genellikle azaltılmış veya sıfır itme aralıkları gerektirebilir. Bu, itmeyi azaltmak veya kaldırmak için yelken uygun bir açıyla ayarlanmış olarak tekneyi Güneş çizgisi etrafında döndürerek başarılabilir.

Swing-by manevraları

Bir zanaatın enerjisini artırmak için yakın bir güneş geçişi kullanılabilir. Artan radyasyon basıncı, Güneş'in yerçekimi kuyusunda derin olmanın etkinliği ile birleşerek, dış Güneş Sistemi'ne giden koşular için enerjiyi önemli ölçüde artırır. Güneş'e en uygun yaklaşım, enerji seviyesini pratik olduğu kadar yüksek tutarken yörünge eksantrikliğini artırarak yapılır. Minimum yaklaşma mesafesi, yelken açısının, yelkenin ve diğer yapının termal özelliklerinin, yapı üzerindeki yük etkilerinin ve yelkenin optik özelliklerinin (yansıma ve emisyon) bir fonksiyonudur. Yakın bir geçiş önemli optik bozulmaya neden olabilir. Yakın bir geçiş için gerekli dönüş oranları önemli ölçüde artabilir. Bir yıldıza ulaşan bir yelkenli tekne, enerjiyi azaltmak için yakın bir geçit kullanabilir, bu aynı zamanda dış Güneş Sisteminden dönüş yolculuğundaki bir yelkenli tekne için de geçerlidir.

Bir ay dönüşü, Dünya'dan ayrılan veya Dünya'ya ulaşan yörüngeler için önemli faydalar sağlayabilir. Bu, özellikle yelkenin ağır yüklü olduğu durumlarda yolculuk sürelerini azaltabilir. Ayrıca, Dünya'ya göre uygun kalkış veya varış yönleri elde etmek için bir salınım da kullanılabilir.

Seyir halindeki uzay aracıyla yapılana benzer bir gezegensel salınım da kullanılabilir, ancak yörüngenin genel optimizasyonu gereklilikleri nedeniyle iyi hizalamalar mevcut olmayabilir.

Aşağıdaki tablo, fizikçi Robert L. Forward tarafından önerildiği gibi ışınlanmış lazer tahrikini kullanan bazı örnek kavramları listeler :

Misyon	Lazer Gücü	Araç Kütlesi	Hızlanma	Yelken Çapı	Maksimum Hız (ışık hızının yüzdesi)
1. Flyby – Alpha Centauri, 40 yıl
giden aşama	65 GW	1 ton	0.036 gr	3,6 km	%11 @ 0.17 ly
2. Randevu – Alpha Centauri, 41 yıl
giden aşama	7.200 GW	785 ton	0,005 gr	100 km	%21 @ 4,29 ly
yavaşlama aşaması	26.000 GW	71 ton	0,2 gr	30 km	%21 @ 4,29 ly
3. İnsanlı – Epsilon Eridani, 51 yıl (yıldız sistemini keşfetmek için 5 yıl dahil)
giden aşama	75.000.000 GW	78.500 ton	0,3 gr	1000 km	%50 @ 0,4 ly
yavaşlama aşaması	21.500.000 GW	7.850 ton	0,3 gr	320 km	%50 @ 10,4 ly
dönüş aşaması	710.000 GW	785 ton	0,3 gr	100 km	%50 @ 10,4 ly
yavaşlama aşaması	60.000 GW	785 ton	0,3 gr	100 km	%50 @ 0,4 ly

Tam bir durak için fotogravitasyonel destekleri kullanmak için yıldızlararası seyahat kataloğu.

İsim	Seyahat süresi (yıl)	Mesafe (ly)	Parlaklık ( L ☉ )
Sirius a	68.90	8.58	24.20
α Centauri A	101.25	4.36	1.52
α Centauri B	147.58	4.36	0,50
Procyon A	154.06	11.44	6.94
vega	167.39	25.02	50.05
Altair	176.67	16.69	10.70
Fomalhaut A	221.33	25.13	16.67
Denebola	325,56	35.78	14.66
Teker A	341,35	50.98	49.85
Epsilon Eridiani	363.35	10.50	0,50

• α Cen A ve B'deki ardışık asistler, her iki yıldıza da 75 yıla kadar seyahat sürelerine izin verebilir.
• Lightsail nominal kütle-yüzey oranına (σ sahip _nom 8.6 x 10) ^-4 gramlık m ^-2 nominal grafin sınıfı yelken.
• Deniz Feneri Alanı, yaklaşık 10 ⁵ m ² = (316 m) ²
• 37.300 km s ^-1'e kadar hız (%12,5 c)

. Referans:

Yürütülen veya tamamlanan projeler

Tutum (yönlendirme) kontrolü

Hem Merkür ve Venüs gezegenlerinin yanından uçan Mariner 10 görevi hem de MESSENGER'in Merkür'e olan görevi, tutum kontrol itici gazını korumak için güneş basıncının bir tutum kontrol yöntemi olarak kullanıldığını gösterdi .

Hayabusa ayrıca, kırık reaksiyon çarklarını ve kimyasal iticiyi telafi etmek için bir tutum kontrol yöntemi olarak güneş paletlerinde güneş basıncını kullandı .

MTSAT-1R'nin ( Çok Fonksiyonlu Taşıma Uydusu ) güneş yelkeni, güneş dizisi üzerindeki güneş ışığı basıncının ürettiği torku etkisiz hale getirir. Güneş enerjisi dizisindeki trim tırnağı, tork dengesinde küçük ayarlamalar yapar.

Yere yayılma testleri

NASA, vakum odalarındaki küçük ölçekli yelkenlerde dağıtım teknolojilerini başarıyla test etti.

4 Şubat 1993'te, 20 metre genişliğinde alüminize-mylar reflektör olan Znamya 2 , Rus Mir uzay istasyonundan başarıyla yerleştirildi . Dağıtım başarılı olmasına rağmen, tahrik gösterilemedi. İkinci bir test olan Znamya 2.5 düzgün şekilde dağıtılamadı.

1999'da, Köln'deki DLR/ESA'da yerde bir güneş yelkeninin tam ölçekli konuşlandırılması test edildi.

suborbital testler

2001 yılında Planetary Society , Cosmos Studios ve Rus Bilim Akademisi arasında ortak bir özel proje , roket arızası nedeniyle başarısız olan bir suborbital prototip testi yaptı.

15 metre çapında bir güneş yelkeni (SSP, güneş yelkeni alt yükü, soraseiru sabupeiro-do ) 21 Şubat 2006'da bir OG roketi üzerinde ASTRO-F ile birlikte fırlatıldı ve yörüngeye ulaştı . Sahneden konuşlandırıldı, ancak eksik açıldı.

9 Ağustos 2004'te Japon ISAS , sondaj roketinden iki prototip güneş yelkenini başarıyla yerleştirdi. 122 km yükseklikte yonca şeklinde bir yelken açıldı ve 169 km yükseklikte yelpaze şeklinde bir yelken açıldı. Her iki yelkende de 7.5 mikrometre film kullanılmıştır . Deney, itici gücü değil, yalnızca dağıtım mekanizmalarını test etti.

IKAROS 2010

Mayıs 2010'da 21 günü, Japon Uzay Araştırma Ajansı (JAXA) başlattı Dünyanın ilk gezegenlerarası güneş yelkeni uzay aracı ' IKAROS ' ( Ben nterplanetary K ite-zanaat A tarafından ccelerated R adiation O f S BM ) Venüs'e. Yeni bir güneş-foton tahrik yöntemi kullanarak, tamamen güneş ışığıyla hareket eden ilk gerçek güneş yelkenli uzay aracıydı ve güneş yelkenli uçuşta başarılı olan ilk uzay aracıydı.

JAXA, 2010 yılında IKAROS'u başarıyla test etti. Amaç, yelkeni konuşlandırmak ve kontrol etmek ve ilk kez hafif basınçtan kaynaklanan dakika yörünge bozulmalarını belirlemekti. Yörünge tespiti, her ikisi de Venüs'e transfer yörüngesine getirildikten sonra IKAROS'un ayrıldığı yakındaki AKATSUKI sondası tarafından yapıldı . Altı aylık uçuş boyunca toplam etki 100 m/sn idi.

2010 yılına kadar, uzayda birincil tahrik sistemleri olarak hiçbir güneş yelkeni başarıyla kullanılmamıştı. 21 Mayıs 2010 tarihinde Japon Uzay Araştırma Ajansı (JAXA) başlattı IKAROS 200 m konuşlandırılmış uzay aracı, (Güneş Of Radyasyonla Hızlandırılmış Gezegenler arası Uçurtma-zanaat) ² 10 Haziran'dan Temmuz tarihinde poliimid deneysel güneş yelkeni, bir sonraki aşamada radyasyonla ivmenin gösterilmesi için başladı. 9 Temmuz 2010'da, IKAROS'un relativizasyon hızlanma hızı verilerine ek olarak yeni hesaplanan menzil ve menzil oranı (RARR) ile yörünge belirlemesi ile IKAROS'un Güneş'ten radyasyon topladığı ve foton ivmesini başlattığı doğrulandı. Doppler etkisinden daha önce alınan IKAROS ile Dünya arasındaki IKAROS'un görüntüsü. Veriler, IKAROS'un yelken açtığı 3 Haziran'dan beri güneşte yelken açtığını gösteriyor.

IKAROS, 7.5 mikrometre (0.0075 mm) kalınlığında bir poliimid levhadan yapılmış 14×14 m (196 m ² ) çapraz dönen kare bir yelkene sahiptir . Poliimid levha, metrekare başına yaklaşık 10 gramlık bir kütleye sahipti. Yelkenin içine ince bir film güneş dizisi yerleştirilmiştir. Yelkenin içine yerleştirilmiş sekiz LCD panel, yansıma kontrolü için ayarlanabiliyor . IKAROS, altı ayını Venüs'e seyahat ederek geçirdi ve ardından Güneş'in uzak tarafına üç yıllık bir yolculuğa başladı.

NanoSail-D 2010

NASA Marshall Uzay Uçuş Merkezi'nden (Marshall) bir ekip, NASA Ames Araştırma Merkezi'nden bir ekiple birlikte , 3 Ağustos 2008'de bir Falcon 1 roketinde fırlatma hatasında kaybolan NanoSail-D adlı bir güneş yelkeni görevi geliştirdi. . ikinci yedekleme sürümü NanoSail-D2 bazen basitçe Nanosail-D olarak adlandırılan, ile başlatılan FASTSAT bir on Minotaur IV düşük dünya yörüngesinde konuşlandırılan NASA'nın ilk güneş yelkeni olma, 19 Kasım 2010 tarihinde. Görevin amaçları, yelken açma teknolojilerini test etmek ve ölü uyduları ve uzay enkazını yörüngeden çıkarmak için basit, "pasif" bir araç olarak güneş yelkenlerinin kullanımı hakkında veri toplamaktı. NanoSail-D yapısı alüminyum ve plastikten yapıldı ve uzay aracı 10 pounddan (4,5 kg) daha az kütleye sahipti. Yelken yaklaşık 100 fit kare (9.3 m ² ) ışık alıcı yüzeye sahiptir. Dağıtımla ilgili bazı ilk sorunlardan sonra, güneş yelkeni açıldı ve 240 günlük görevi boyunca, güneş yelkenlerinin pasif yörüngeden çıkarma cihazları olarak kullanımına ilişkin bir "veri zenginliği" ürettiği bildirildi.

NASA , 19 Kasım 2010'da Minotaur IV'teki FASTSAT uydusunun içine yerleştirilmiş ikinci NanoSail-D ünitesini fırlattı. FASTSAT mikro uydusundan fırlatma tarihi 6 Aralık 2010 olarak planlandı, ancak konuşlandırma yalnızca 20 Ocak 2011'de gerçekleşti.

Gezegen Topluluğu LightSail Projeleri

21 Haziran 2005'te Planetary Society , Cosmos Studios ve Rus Bilim Akademisi arasındaki ortak bir özel proje , Barents Denizi'ndeki bir denizaltıdan bir prototip yelken Cosmos 1'i fırlattı , ancak Volna roketi başarısız oldu ve uzay aracı yörüngeye ulaşamadı. Bir aylık bir görev süresi boyunca uzay aracını kademeli olarak daha yüksek bir Dünya yörüngesine yükseltmek için yelkeni kullanmayı amaçladılar. Louis Friedman'a göre fırlatma girişimi kamuoyunda ilgi uyandırdı. Cosmos 1'in başarısız fırlatma girişimine rağmen, Planetary Society çabaları için uzay topluluğundan alkış aldı ve güneş yelkeni teknolojisine yeniden ilgi uyandırdı.

Carl Sagan'ın 75. doğum gününde (9 Kasım 2009) Planetary Society, LightSail-1 , -2 ve -3 olarak adlandırılan üç deneme daha yapmayı planladığını duyurdu . Yeni tasarım, NanoSail-D gibi dört üçgen segmente yerleştirilmiş 32 m ² Mylar yelken kullanacak. Fırlatma yapılandırması bir 3U CubeSat formatıdır ve 2015 itibariyle, ilk SpaceX Falcon Heavy fırlatmasında 2016 fırlatması için ikincil bir yük olarak planlanmıştır.

" LightSail-1 " 20 Mayıs 2015'te fırlatıldı. Testin amacı, LightSail-2'den önce uydu sistemlerinin tam kontrolünü sağlamaktı. Yayılma yörüngesi, Dünya'nın atmosferik sürüklenmesinden kaçmak ve gerçek güneş yelkenini göstermek için yeterince yüksek değildi.

" LightSail-2 " 25 Haziran 2019'da fırlatıldı ve çok daha yüksek bir alçak Dünya yörüngesine yerleştirildi. Güneş yelkenleri 23 Temmuz 2019'da konuşlandırıldı.

Geliştirilmekte olan veya önerilen projeler

Cosmos 1 ve NanoSail-D'nin (fırlatıcılarının arızalanmasından kaynaklanan) kayıplarına rağmen, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları ve mühendisler teşvik edilmeye devam ediyor ve güneş yelkenleri üzerinde çalışmaya devam ediyor. Şimdiye kadar oluşturulan doğrudan uygulamaların çoğu, yelkenleri ucuz kargo taşımacılığı modları olarak kullanmayı amaçlarken, bazı bilim adamları, insanları taşımak için güneş yelkenlerini kullanma olasılığını araştırıyorlar. Bu hedef, uzayda çok büyük (yani 1 km ^{2 '} nin çok üzerinde ) yüzeylerin yönetimi ve yelkenin ilerleme kaydetmesiyle yakından ilgilidir . İnsanlı uzay uçuşu için güneş yelkenlerinin geliştirilmesi henüz emekleme aşamasındadır.

2015

Sunjammer adlı bir teknoloji tanıtım yelkenli teknesi, yelken teknolojisinin uygulanabilirliğini ve değerini kanıtlamak amacıyla geliştiriliyordu. Sunjammer , her iki tarafta 124 fit (38 metre) genişliğinde (toplam alan 13.000 fit kare veya 1.208 fit kare) kare bir yelkene sahipti. Güneş-Dünya L ₁ Lagrange noktasından Dünya'dan 900.000 mil (1,5 milyon km) 1,864,114 mil (3 milyon kilometre) mesafeye seyahat edecekti. Gösterinin Ocak 2015'te bir Falcon 9'da başlaması bekleniyordu. DSCOVR iklim uydusunun L1 noktasına yerleştirilmesinden sonra yayınlanan ikincil bir yük olacaktı . Yüklenicisi L'Garde'ın teslim etme kabiliyetine olan güven eksikliğinden yola çıkarak , görev Ekim 2014'te iptal edildi.

Gossamer deorbit yelken

Aralık 2013 itibariyle Avrupa Uzay Ajansı (ESA) "adlı bir teklif deorbit yelken vardır Gossamer yapay uydular küçük deorbiting (az 700 kilogram (1.500 lb)) hızlandırmak için kullanılması amaçlanmıştır olacağını", düşük Dünya yörüngeleri . Fırlatma kütlesi 2 kilogramdır (4.4 lb), fırlatma hacmi sadece 15×15×25 santimetre (0.49×0.49×0.82 ft). Açıldığında, yelken 5 x 5 metre (16 ft × 16 ft) genişleyecek ve uydu yeniden girişini hızlandırmak için yelken üzerindeki güneş basıncının ve artan atmosferik sürtünmenin bir kombinasyonunu kullanacaktır .

NEA İzci

Near-Earth Asteroid İzci (NEA İzci) ortaklaşa tarafından geliştirilmektedir bir misyon NASA 'nın Marshall Uzay Uçuş Merkezi'nden (MSFC) ve Jet Propulsion Laboratory kontrol edilebilir bir düşük maliyetli oluşan (JPL) CubeSat karşılaşıyor yapabilen güneş yelkeni uzay aracı Dünya'ya yakın asteroitler (NEA). Dört 7 m (23 ft) bom 83 m gözler önüne serilen, dağıtmak olur ² (890 sq ft) polimid güneş yelkeni alüminyum ile. 2015 yılında NASA , ajansın ağır yük SLS fırlatma aracının ilk uçuşu olan Artemis 1'de birkaç ikincil yükten biri olarak fırlatmak için NEA Scout'u seçtiğini duyurdu .

OKEANOS

OKEANOS (Dış Güneş Sisteminde Keşif ve Uzay Bilimleri için Devasa Uçurtma Gemisi), Japonya'nın JAXA'sı tarafından Jüpiter'in Truva asteroitlerine tahrik için hibrit bir güneş yelkeni kullanarak önerilen bir görev konseptiydi ; yelken, bir iyon motoruna güç sağlamak için ince güneş panelleri ile kaplanmış olurdu . Toplanan örneklerin yerinde analizi, ya doğrudan temas yoluyla ya da yüksek çözünürlüklü bir kütle spektrometresi taşıyan bir arazi aracı kullanılarak gerçekleştirilebilirdi. Bir arazi aracı ve Dünya'ya bir numune dönüşü, incelenen seçeneklerdi. OKEANOS Jüpiter Truva Asteroit Explorer Japonya'nın için finalist oldu ISA'lar ' Geç 2020'lerde açılacak 2 Büyük sınıf misyon. Ancak seçilmedi.

Çığır Açan Yıldız Atışı

12 Nisan 2016'da duyurulan ve iyi finanse edilen Breakthrough Starshot projesi, yer tabanlı lazerler tarafından tahrik edilen minyatür kameralar taşıyan 1000 hafif yelkenli nanocraft filosu geliştirmeyi ve bunları %20 ışık hızında Alpha Centauri'ye göndermeyi amaçlıyor . Yolculuk 20 yıl sürecekti.

Güneş Kruvazörü

Ağustos 2019'da NASA, Solar Cruiser ekibine dokuz aylık görev konsepti çalışmaları için 400.000 dolar verdi. Uzay aracı bir 1,672 m olurdu ² (18,000 metre kare ft) güneş yelkeni ve süre, bir polar yörüngede Sun yörünge olur Coronagraph aleti eşzamanlı ölçümleri sağlayacak Güneşin manyetik alan yapısı ve hızının koronal kütle atımları . Geliştirme için seçilirse, 2024'te piyasaya sürülecek.

popüler kültürde

Gelen Larry Niven ve Jerry Pournelle 'ın 1974 roman Tanrı'nın Gözü, The Mote kendi güneş yelkeni enerjili sonda insan yere girdiğimizde, uzaylılar keşfedilir.

Benzer bir teknoloji, Star Trek: Deep Space Nine bölümünün " Explorers " temasıydı . Bölümde, Işık Gemileri , Bajoran güneşinden gelen ışığı ve onları uzayda ilerletmek için özel olarak inşa edilmiş yelkenleri kullanarak güneş sistemlerinin ötesine geçmek için Bajorlular tarafından kullanılan eski bir teknoloji olarak tanımlanıyor ( "Explorers". Star Trek: Deep Space Nine . Sezon 3 22. Bölüm.).

2002 Yıldız Savaşları filmi Klonların Saldırısı'nda , ana kötü adam Kont Dooku güneş yelkenli bir uzay aracı kullanırken görüldü.

Ayrıca bakınız

• CubeSail  – Planlanan güneş yelkenli uzay aracı
• Dünya Dışı: Dünyanın Ötesinde Akıllı Yaşamın İlk İşareti  - 2021 popüler bilim kitabı Avi Loeb
• optik kaldırma
• Poynting-Robertson etkisi  - güneş radyasyonunun bir yıldızın yörüngesindeki bir toz tanesinin açısal momentumunu kaybetmesine neden olduğu süreç
• Technosignature  – Teknolojinin varlığına dair bilimsel kanıt sağlayan özellik
• Yarkovski etkisi

Referanslar

bibliyografya

• G. Vulpetti, Fast Solar Sailing: Astrodynamics of Special Sailcraft Yörüngeleri , ;;Uzay Teknolojisi Kütüphanesi Vol. 30, Springer, Ağustos 2012, (Ciltli) https://www.springer.com/engineering/mechanical+engineering/book/978-94-007-4776-0 , (Kindle-edition), ASIN: B00A9YGY4I
• G. Vulpetti, L. Johnson, GL Matloff, Güneş Yelkenleri: Gezegenler Arası Uçuşa Yeni Bir Yaklaşım , Springer, Ağustos 2008, ISBN  978-0-387-34404-1
• JL Wright, Space Sailing , Gordon ve Breach Science Publishers, Londra, 1992; Wright, JPL'nin Halley kuyruklu yıldızıyla buluşmak için bir güneş yelkeni kullanma çabasında yer aldı.
• NASA/CR 2002-211730, Bölüm IV — H-ters seyir modu aracılığıyla optimize edilmiş bir kaçış yörüngesi sunar
• G. Vulpetti, The Sailcraft Splitting Concept, JBIS , Cilt. 59, s. 48–53, Şubat 2006
• GL Matloff, Derin Uzay Sondaları: Dış Güneş Sistemine ve Ötesine , 2. baskı, Springer-Praxis, İngiltere, 2005, ISBN  978-3-540-24772-2
• T. Taylor, D. Robinson, T. Moton, TC Powell, G. Matloff ve J. Hall, "Güneş Yelkenli Tahrik Sistemleri Entegrasyonu ve Analizi (Opsiyon Dönemi için)", NASA/MSFC için Nihai Rapor, Sözleşme No. H -35191D Opsiyon Dönemi, Teledyne Brown Engineering Inc., Huntsville, AL, 11 Mayıs 2004
• G. Vulpetti, "Yıldızlararası Sonda için Yelkenli Yörünge Seçenekleri: Matematiksel Teori ve Sayısal Sonuçlar", NASA/CR-2002-211730 Bölüm IV, Yıldızlararası Sonda (ISP): Perihelion Öncesi Yörüngeler ve Holografi Uygulaması , Haziran 2002
• G. Vulpetti, Güneş Yerçekimi Merceğine Yelken Tabanlı Görev, STAIF-2000, Albuquerque (New Mexico, ABD), 30 Ocak – 3 Şubat 2000
• G. Vulpetti, "Yüksek Hızlı Yelkenliler için Genel 3D H-Ters Yörüngeler", Acta Astronautica , Cilt. 44, No. 1, s. 67–73, 1999
• CR McInnes, Solar Sailing: Technology, Dynamics ve Mission Applications , Springer-Praxis Publishing Ltd, Chichester, İngiltere, 1999, ISBN  978-3-540-21062-7
• Genta, G. ve Brusa, E., "AURORA Projesi: Yeni Bir Yelken Düzeni", Acta Astronautica , 44, No. 2–4, s. 141–146 (1999)
• S. Scaglione ve G. Vulpetti, "Aurora Projesi: Tamamen Metal Bir Güneş Yelkeni Elde Etmek için Plastik Substratın Kaldırılması", Acta Astronautica'nın özel sayısı , cilt. 44, No. 2–4, s. 147–150, 1999

Dış bağlantılar

• "Deflecting Asteroids" , Gregory L. Matloff, IEEE Spectrum, Nisan 2012
• Planetary Society'nin güneş yelken projesi
• Güneş Foton Yelkeni Yaşlanıyor, Gregory L. Matloff
• NanoSail-D için NASA Misyon Sitesi
• NanoSail-D görevi: Dana Coulter, "NASA, Tarihi Güneş Yelken Açılımını Deneyecek " , NASA, 28 Haziran 2008
• Uzaya Giden Uzak Yollar: NASA'dan Güneş Yelkenleri
• Güneş Yelkenleri Benjamin Diedrich tarafından sağlanan kapsamlı güneş yelkeni bilgileri ve referansları koleksiyonu. Hafif denizcilerin nasıl zıplaması gerektiğini gösteren güzel diyagramlar .
• Haber ve uçuş simülatörleri ile U3P Çok Dilli site
• ISAS Uzayda Güneş Yelken Filmi Kullandı
• Silindir resifli, hibrit tahrikli ve merkezi bir yanaşma ve yük istasyonuna sahip bir güneş yelkeni önerisi.
• NASA'nın JPL'si ile güneş yelken teknolojisi ve misyonları hakkında röportaj
• NASA raporu ve Roma Üniversitesi Havacılık ve Uzay Mühendisliği Okulu'ndaki dersler de dahil olmak üzere güneş enerjisiyle yelken hakkında teknik pdf dosyaları içeren web sitesi
• Gelişmiş Güneş ve Lazerle Çalışan Lightsail Konseptleri
• Andrews, Genel Müdürlük (2003). "Bugünün Fiziğini Kullanarak Yıldızlararası Taşımacılık" (PDF) . AIAA Belgesi 2003-4691 . Orijinalinden (PDF) 2006-03-11 tarihinde arşivlendi .
• www.aibep.org: Amerikan Kirişli Enerji Tahrik Enstitüsü'nün resmi sitesi
• Uzay Yelkenli Yelkenli gemi konseptleri, operasyonları ve konsept tarihi
• Bernd Dachwald'ın Web Sitesi Yelken tahriki ve görevleri hakkında geniş bilgi