Wie konstruiert man ein Segel, das ein Raumschiff in ein anderes Sonnensystem transportieren kann?
NASA-Agentur Reisender 1 Und das Reisender 2 Die beiden Sonden, die in den 1970er Jahren gestartet wurden, sind immer noch die einzigen von Menschenhand geschaffenen Objekte, die unser Sonnensystem verlassen. Während das Paar die Erwartungen übertroffen hat und immer noch in Betrieb ist, entwickeln Forscher weiterhin neue Missionen, die über unsere stellare Nachbarschaft hinausgehen könnten. Eine der Techniken, bekannt als a leichtes segelein Segel, das eher durch Licht als durch Wind angetrieben wird, scheint ein vielversprechendes Mittel zu sein, um ein so ehrgeiziges Ziel zu erreichen.
In zwei neuen Studien haben Forscher herausgefunden, wie man am besten ein Lichtsegel für interstellare Reisen konstruiert. Sie fanden heraus, dass ein solches Segel fließen und ein netzartiges Muster haben sollte, und sie kamen auch zu einigen Schlussfolgerungen über die besten zu verwendenden Materialien.
Diese Studien wurden im Rahmen der Breakthrough Starshot Initiative durchgeführt, einem Forschungs- und Konstruktionsprojekt, das darauf abzielt, neue Designs für ein leichtes segelbetriebenes Fahrzeug zu entwickeln, das in der Lage ist, zu reisen Alpha Centauriunsere nächsten Nachbarn im Sonnensystem.
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Breakthrough Starshot ist ein Projekt mit Breakthrough Initiatives, einer „Gruppe von weltraumwissenschaftlichen Programmen, die grundlegende Fragen des Lebens im Universum untersuchen“, so Breakthrough Starshot. Webseite.
Breakthrough Starshot zielt darauf ab, ein Lichtsegel zu entwickeln, das eine Sonde von der Größe eines kleinen Wafers mit 20 % Lichtgeschwindigkeit trägt. Mit diesem Hochgeschwindigkeitstempo wird die Sonde in etwa 20 Jahren Alpha Centauri erreichen, Laut Aussage.
Als Referenz befindet sich Alpha Centauri etwa 4 Lichtjahre von der Erde entfernt und einige Experten Es wird geschätzt, dass es mindestens 6.300 Jahre dauern wird, bis das System mit der aktuellen Technologie erreicht ist.
Was ist ein Lichtsegel?
Lichtsegel sind weder Science-Fiction noch eine neue Idee. Lichtsegel, auch Sonnensegel genannt, können Raumfahrzeuge ohne den Einsatz von Raketentreibstoff antreiben. Lichtsegel funktionieren, wenn Lichtteilchen, sogenannte Photonen, mit dem reflektierenden Segel kollidieren und ihren Impuls auf die Platte übertragen.
Im Laufe der Zeit werden Milliarden und Abermilliarden von Photonen auf das Segel treffen und genügend Schwung geben, um das Schiff vorwärts zu „schieben“.
Im Jahr 2019 startete die Planetary Society, eine in den USA ansässige gemeinnützige Bildungs- und Öffentlichkeitsorganisation für Weltraumforschung, ein durch Crowdfunding finanziertes Raumschiff mit Segelflugzeugantrieb namens Lichtsegel 2 zur Erdumlaufbahn. Das Würfel-Raumschiff hat die Größe eines Brotlaibs, aber sein Sonnensegel erstreckt sich über 32 Quadratmeter.
Das Lichtsegel des Fahrzeugs besteht aus vier dreieckigen Abschnitten aus Aluminiummylar. Als das Fahrzeug mit einer Falcon Heavy-Rakete von SpaceX den Weltraum erreichte, manövrierte es mit durch Sonnenlicht erzeugtem Schub in die Umlaufbahn.
Auch die japanische Raumfahrtbehörde JAXA hat ein Raumschiff gestartet, das mit Hilfe eines sogenannten Sonnensegels reist Ikarus.
Starshot unterscheidet sich jedoch von LightSail 2. Während LightSail 2 ausschließlich auf Photonen von der Sonne angewiesen ist, benötigt Starshot intensiveres Licht, um die extremen Geschwindigkeiten zu erreichen, die sich die Projektleiter erhoffen. Dazu zielt das Projekt darauf ab, mit bodengestützten Lasern intensives Licht direkt auf die Lichtsegel der potenziellen Starshot-Sonden zu fokussieren und sie nach Erreichen der Umlaufbahn schnell auf den Weg zu schicken.
Perfekte Sonnensegelbildung
In diesem Paar neuer Studien haben Forscher die effektivste Form und den effektivsten Stil eines Lichtsegels untersucht.
Das erste Papier unter der Leitung von Igor Bargatin, einem Forscher an der Fakultät für Maschinenbau und angewandte Mechanik an der Universität von Pennsylvania, schlägt das beste Material und die beste Form für das interstellare Lichtsegel vor.
Erstens legt die Studie nahe, dass das leichte Segel der Starshot aus ultradünnen Platten der chemischen Verbindung Aluminiumoxid und dem silbernen Übergangsmetall Molybdändisulfid bestehen sollte.
Das Team empfiehlt außerdem, dass ein leichtes Segel, um Risse zu vermeiden, eine signifikante Krümmung haben und „wie ein Fallschirm fließen sollte, anstatt flach zu liegen“, so die Erklärung.
„Die Intuition hier ist, dass ein sehr schmales Segel, ob auf einem Segelboot oder im Weltraum, anfälliger für Weinen ist“, sagte Bargatin in derselben Erklärung. „Es ist ein relativ einfach zu verstehendes Konzept, aber wir mussten einige sehr komplexe Berechnungen durchführen, um zu zeigen, wie sich diese Materialien in dieser Größenordnung verhalten.“
Gerade bei den hohen Geschwindigkeiten, die das Starshot-Team anstrebt, hält das Segel im Grenzbereich erheblichen Belastungen stand. Diese Forscher schlagen vor, dass die gewölbte Form dazu beitragen wird, dass das Segel unter diesem Druck nicht bricht.
„Laserphotonen werden das Segel füllen wie Luft, die einen Strandball weht“, sagte der Hauptautor Matthew Campbell, ein Postdoktorand in der Bargatine-Gruppe, in derselben Erklärung. „Und wir wissen, dass leichte, kompakte Behälter kugelförmig oder zylindrisch sein müssen, um Risse und Sprünge zu vermeiden. Denken Sie an Propangastanks oder sogar Treibstofftanks auf Raketen.“
wichtiges Muster
Das zweite Papier untersuchte, wie ein Muster im Inneren des Segels die Wärme des Lichts von Laserstrahlen effektiver auf dem Boden verteilen könnte.
„Wenn die Segel auch nur einen winzigen Bruchteil des einfallenden Laserlichts absorbieren, werden sie auf sehr hohe Temperaturen erhitzt“, sagt der Hauptautor Aaswath Raman, ein Forscher am Department of Materials Science and Engineering der UCLA. Er sagte in der gleichen Erklärung. „Um sicherzustellen, dass es nicht einfach zerfällt, müssen wir seine Fähigkeit erhöhen, seine Wärme abzustrahlen, was die einzige im Weltraum verfügbare Art der Wärmeübertragung ist.“
Zuvor schlugen Forscher vor, dass der leichte „Stoff“ des Segels mit kleinen, gleichmäßig verteilten Löchern bedeckt sein könnte, um diese hektische Angst zu bewältigen. Diese Forscher schlagen jedoch vor, dass das Segel zusätzlich zum Segelgewebe Perforationen aufweisen könnte, die in einem Gittermuster gruppiert sind, um die Wärmeverteilung zu maximieren.
„Vor einigen Jahren galt es als etwas weit hergeholt, über diese Art von Konzept nachzudenken oder theoretische Arbeiten durchzuführen“, sagte Co-Autor Deep Jariwala, ein Forscher, der mit Bargattin an der University of Pennsylvania zusammenarbeitet, in derselben Erklärung. „Jetzt haben wir nicht nur ein Design, sondern das Design basiert auf realen Materialien, die in unseren Labors verfügbar sind. Unser Plan für die Zukunft wird es sein, solche Strukturen in kleinem Maßstab herzustellen und sie mit einem Hochleistungslaser zu testen.“
Diese Papiere waren veröffentlicht 16. Februar in Nano Letters.
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