Päikesepuri on viis kosmoselaeva liikuma panemiseks, kasutades tähe kiiratava valguse ja suure kiirusega gaaside rõhku (nimetatakse ka päikesevalguse rõhuks). Vaatame selle seadet lähem alt.
Purje kasutamine tähendab odavat kosmosereisi koos pikema elueaga. Paljude liikuvate osade puudumise ja ka raketikütuse kasutamise vajaduse tõttu on selline laev potentsiaalselt taaskasutatav kasulike koormate kohaletoimetamiseks. Mõnikord kasutatakse ka nimetusi valgus või footonpuri.
Konseptsioonilugu
Johannes Kepler märkas kord, et komeedi saba vaatab Päikesest eemale, ja arvas, et selle efekti tekitab täht. 1610. aastal Galileole saadetud kirjas kirjutas ta: "Varustage laev päikesetuulega kohandatud purjega ja leidub neid, kes julgevad seda tühimikku uurida." Võib-olla viitas ta nende sõnadega just "komeedi saba" fenomenile, kuigi selleteemalised väljaanded ilmusid mitu aastat hiljem.
James K. Maxwell avaldas XIX sajandi 60. aastatel elektromagnetvälja teooria jakiirgus, milles ta näitas, et valgusel on hoog ja seega võib ta objektidele survet avaldada. Maxwelli võrrandid annavad teoreetilise aluse kerge survega liikumiseks. Seetõttu teati juba 1864. aastal füüsikaringkondades ja väljaspool seda, et päikesevalgus kannab impulssi, mis avaldab objektidele survet.
Esm alt demonstreeris Pjotr Lebedev eksperimentaalselt valguse rõhku 1899. aastal ning seejärel viisid Ernest Nichols ja Gordon Hull 1901. aastal läbi sarnase sõltumatu katse, kasutades Nicholsi radiomeetrit.
Albert Einstein võttis kasutusele teistsuguse sõnastuse, tunnistades massi ja energia samaväärsust. Nüüd võime lihts alt impulsi, energia ja valguse kiiruse suhteks kirjutada p=E/c.
Svante Arrhenius ennustas 1908. aastal päikesekiirguse survet, mis kannab elusaid eoseid tähtedevahelise vahemaa tagant, ja selle tulemusena panspermia mõistet. Ta oli esimene teadlane, kes väitis, et valgus võib objekte tähtede vahel liigutada.
Friedrich Zander avaldas artikli, mis sisaldas päikesepurje tehnilist analüüsi. Ta kirjutas "suurte ja väga õhukeste peeglite kasutamisest" ja "päikesevalguse survest kosmilise kiiruse saavutamiseks".
Esimesed ametlikud projektid selle tehnoloogia arendamiseks algasid 1976. aastal Jet Propulsion Laboratory'is kavandatud kohtumismissiooniks Halley komeediga.
Kuidas päikesepuri töötab
Valgus mõjutab kõiki planeedi orbiidil või selle sees olevaid sõidukeidplaneetidevaheline ruum. Näiteks Marsile suunduv tavapärane kosmoseaparaat asuks Päikesest rohkem kui 1000 km kaugusel. Neid mõjusid on kosmosereisi trajektoori planeerimisel arvesse võetud alates kõige esimesest planeetidevahelisest kosmoselaevast 1960. aastatel. Kiirgus mõjutab ka sõiduki asendit ja seda tegurit tuleb laeva projekteerimisel arvestada. Päikesepurjele mõjuv jõud on 1 njuuton või vähem.
Selle tehnoloogia kasutamine on mugav tähtedevahelistel orbiitidel, kus kõik toimingud viiakse läbi madala tempoga. Kerge purje jõuvektor on orienteeritud piki päikese joont, mis suurendab orbiidi energiat ja nurkimmenti, mistõttu laev liigub päikesest kaugemale. Orbiidi kalde muutmiseks on jõuvektor väljaspool kiirusvektori tasapinda.
Asendi juhtimine
Kosmoselaeva suhtumise juhtimissüsteemi (ACS) on vaja selleks, et universumis reisides soovitud asendisse jõuda ja seda muuta. Aparaadi seatud asend muutub väga aeglaselt, sageli vähem kui üks kraad päevas planeetidevahelises ruumis. See protsess toimub planeetide orbiitidel palju kiiremini. Päikesepurjega sõiduki juhtimissüsteem peab vastama kõikidele orientatsiooninõuetele.
Juhtimine saavutatakse suhtelise nihkega anuma rõhukeskme ja selle massikeskme vahel. Seda saab saavutada juhtlabade, üksikute purjede liigutamise, kontrollmassi liigutamise või helkuri vahetamisegavõimeid.
Seisuasend nõuab, et ACS säilitaks netopöördemomendi nullis. Purje jõumoment ei ole trajektooril konstantne. Muutused koos kaugusega päikesest ja nurgast, mis korrigeerib purje võlli ja kaldub kõrvale mõningaid tugikonstruktsiooni elemente, mille tulemuseks on muutused jõus ja pöördemomendis.
Piirangud
Päikesepuri ei saa töötada Maast madalamal kui 800 km kõrgusel, kuna kuni selle kauguseni ületab õhutakistusjõud kerge survejõu. See tähendab, et päikese rõhu mõju on nõrg alt märgatav ja see lihts alt ei tööta. Purjelaeva pöördekiirus peab ühilduma orbiidiga, mis on tavaliselt probleem ainult pöörleva ketta konfiguratsiooni puhul.
Töötemperatuur sõltub päikese kaugusest, nurgast, peegelduvusest ning esi- ja tagaradiaatoritest. Purje saab kasutada ainult siis, kui temperatuuri hoitakse materjali piires. Seda saab üldiselt kasutada üsna päikese lähedal, umbes 0,25 AU, kui laev on nende tingimuste jaoks hoolik alt projekteeritud.
Seadistus
Eric Drexler valmistas spetsiaalsest materjalist päikesepurje prototüübi. See on raam, mille paneeli on õhukesest alumiiniumkilest paksusega 30–100 nanomeetrit. Puri pöörleb ja peab olema pidev alt surve all. Seda tüüpi konstruktsioonidel on suur pindala massiühiku kohta ja seetõttukiirendus "viiskümmend korda kiirem" kui need, mis põhinevad paigaldatavatel plastkiledel. See on ruudukujuline puri, mille mastid ja kaksikliinid asuvad purje tumedal küljel. Neli ristuvat masti ja üks risti keskkohaga, et hoida juhtmeid.
Elektrooniline disain
Pekka Janhunen leiutas elektripurje. Mehaaniliselt on sellel traditsioonilise valgusdisainiga vähe ühist. Purjed asendatakse sirgendatud juhtivate kaablitega (juhtmetega), mis on paigutatud radiaalselt ümber laeva. Nad loovad elektrivälja. See ulatub mitukümmend meetrit ümbritseva päikesetuule plasmasse. Päikeseelektronid peegelduvad elektriväljast (nagu footonid traditsioonilisel päikesepurjel). Laeva saab juhtida juhtmete elektrilaengut reguleerides. Elektripurjel on 50–100 sirgendatud traati, pikkusega umbes 20 km.
Millest see tehtud on?
Drexleri päikesepurje jaoks välja töötatud materjal on õhuke 0,1 mikromeetri paksune alumiiniumkile. Ootuspäraselt on see näidanud piisavat tugevust ja töökindlust kosmoses kasutamiseks, kuid mitte voltimiseks, käivitamiseks ja kasutuselevõtuks.
Kaasaegse disaini kõige levinum materjal on 2 mikroni suurune alumiiniumkile "Kapton". See peab vastu kõrgetele temperatuuridele Päikese lähedal ja on piisav alt tugev.
Seal oli teoreetilisispekulatsioonid molekulaarsete tootmismeetodite rakendamise üle, et luua täiustatud, tugev ja ülikerge puri, mis põhineb nanotorukangast võredel, kus kootud "lüngad" on vähem kui pooled valguse lainepikkusest. Selline materjal loodi ainult laboris ja tööstuslikuks tootmiseks pole veel vahendeid saadaval.
Kerge puri avab suurepärased väljavaated tähtedevaheliseks reisimiseks. Muidugi on veel palju küsimusi ja probleeme, millega tuleb silmitsi seista enne, kui sellise kosmoselaeva konstruktsiooniga läbi universumi reisimine muutub inimkonna jaoks tavaliseks.
