Ηλιακή Ιστιοπλοΐα

Η ηλιακή ιστιοπλοΐα είναι ένας επαναστατικός τρόπος προώθησης ενός διαστημικού σκάφους στο διάστημα.

Ένα διαστημόπλοιο ηλιακού πανιού έχει μεγάλα ανακλαστικά πανιά που συλλαμβάνουν την ορμή του φωτός από τον Ήλιο και χρησιμοποιούν αυτή την ορμή για να ωθήσουν το διαστημικό σκάφος προς τα εμπρός. Η αποστολή LightSail 2 της Πλανητικής Εταιρείας είναι ένα παράδειγμα αυτής της τεχνολογίας σε δράση.

Το φως αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, αλλά καθώς ταξιδεύουν στο διάστημα έχουν ορμή. Όταν το φως χτυπά ένα ηλιακό πανί – το οποίο έχει μια φωτεινή επιφάνεια που μοιάζει με καθρέφτη – τα φωτόνια σε αυτό το φως αναπηδούν από το πανί (δηλαδή αντανακλούν από αυτό, ακριβώς όπως ένας καθρέφτης). Καθώς τα φωτόνια χτυπούν το πανί, η ορμή τους μεταφέρεται σε αυτό, δίνοντάς του μια μικρή ώθηση. Καθώς αναπηδούν από το πανί, τα φωτόνια του δίνουν μια άλλη μικρή ώθηση. Και οι δύο ωθήσεις είναι πολύ μικρές, αλλά στο κενό του χώρου όπου δεν υπάρχει τίποτα να επιβραδύνει το πανί, κάθε ώθηση αλλάζει την ταχύτητα του πανιού.

Πώς ελέγχει ένα ηλιακό πανί την κατεύθυνσή του;

Όταν ένα ηλιακό πανί κοιτάζει απευθείας τον Ήλιο, τα φωτόνια σπρώχνουν το διαστημικό σκάφος προς τα εμπρός, μακριά από τον Ήλιο. Αλλά ένα ηλιακό πανί μπορεί να κινηθεί προς άλλες κατευθύνσεις κολλώντας σαν ιστιοφόρο, αλλάζοντας τη γωνία του πανιού σε σχέση με τον Ήλιο. Είναι ακόμη δυνατό να μετατοπιστεί η τροχιά του διαστημικού σκάφους γύρω από τον Ήλιο, αγκομαχώντας το πανί έτσι ώστε τα ηλιακά φωτόνια να σπρώχνουν προς την κατεύθυνση που ταξιδεύει. Τα ηλιακά πανιά μπορούν επίσης να ελέγχουν την κατεύθυνσή τους με άλλους τρόπους, όπως η αλλαγή του κέντρου μάζας τους ή η χρήση πτερυγίων άκρων.

Ποιο είναι το πλεονέκτημα της ηλιακής ιστιοπλοΐας;

Τα διαστημόπλοια κερδίζουν το μεγαλύτερο μέρος της ορμής τους όταν εκτοξεύονται από τη Γη και στη συνέχεια τα περισσότερα αυξάνουν την ταχύτητά τους ή αλλάζουν πορεία χρησιμοποιώντας χημικούς πυραύλους που καίνε καύσιμα που μεταφέρει το διαστημικό σκάφος. Αλλά περισσότερο καύσιμο πυραύλων σημαίνει περισσότερο βάρος, το οποίο περιορίζει το πόσο μπορεί να μεταφερθεί. Τα περισσότερα διαστημόπλοια φτάνουν στη μέγιστη ταχύτητά τους και στη συνέχεια διασχίζουν το διάστημα ή βασίζονται σε βοηθήματα βαρύτητας από άλλους πλανήτες για να φτάσουν στους προορισμούς τους.

Με τα ηλιακά πανιά, ένα διαστημικό σκάφος μπορεί να συνεχίσει να επιταχύνει όσο υπάρχει φως που το πιέζει. Μέσα σε ένα ηλιακό σύστημα, το φως του ήλιου μπορεί να σπρώχνει συνεχώς το πανί, επιταχύνοντας το διαστημικό σκάφος καθ ‘όλη τη διάρκεια του ταξιδιού του. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλιακά διαστημόπλοια μπορούν να φτάσουν ταχύτητες που θα ήταν πρακτικά αδύνατο να επιτύχουν οι χημικοί πύραυλοι.

Τα ηλιακά διαστημόπλοια ιστιοπλοΐας είναι επίσης πλεονεκτικά επειδή μπορούν να τοποθετηθούν σε τροχιές που διαφορετικά θα ήταν ασταθείς χρησιμοποιώντας την επιτάχυνση του πανιού ως δύναμη εξισορρόπησης. Για παράδειγμα, αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στις αποστολές ηλιακής παρακολούθησης να βρίσκονται μεταξύ της Γης και του Ήλιου σε μεγαλύτερη απόσταση από ό, τι διαφορετικά θα ήταν δυνατόν να παρέχουν μεγαλύτερη προειδοποίηση για ηλιακές καταιγίδες.

Από τι είναι φτιαγμένο ένα ηλιακό πανί;

Τα σημερινά ηλιακά πανιά είναι κατασκευασμένα από ελαφριά υλικά όπως Mylar ή πολυϊμίδιο επικαλυμμένα με μεταλλική ανακλαστική επίστρωση. Το LightSail 2 χρησιμοποιεί 4 τριγωνικά πανιά Mylar πάχους μόλις 4,5 μικρών (1/5000 της ίντσας). Ξεδιπλώνονται χρησιμοποιώντας 4 βραχίονες κράματος κοβαλτίου που ξετυλίγονται σαν ταινίες. Τα πανιά έχουν συνδυασμένη έκταση 32 τετραγωνικών μέτρων (344 τετραγωνικά πόδια), περίπου το μέγεθος ενός δακτυλίου πυγμαχίας.

Πόσο μεγάλο πρέπει να είναι ένα ηλιακό πανί;

Θεωρητικά δεν υπάρχει ελάχιστο μέγεθος για ένα ηλιακό πανί, αλλά για το ίδιο μαζικό διαστημόπλοιο, τα μεγαλύτερα πανιά θα συλλάβουν περισσότερο ηλιακό φως και θα επιταχύνουν το διαστημικό σκάφος πιο γρήγορα. Μια ομάδα της NASA τη δεκαετία του 1970, με επικεφαλής τον συνιδρυτή της Πλανητικής Εταιρείας Λούις Φρίντμαν, πρότεινε ένα ηλιακό πανί με επιφάνεια 600.000 τετραγωνικών μέτρων (6,5 εκατομμύρια τετραγωνικά πόδια), το οποίο θα χρησιμοποιούνταν για να στείλει ένα διαστημικό σκάφος να δώσει ραντεβού με τον κομήτη του Χάλεϊ. Αυτό ισοδυναμεί με ένα τετράγωνο 800 μέτρων (μισό μίλι) επί 800 μέτρα – το μέγεθος των 10 τετραγωνικών τετραγώνων στη Νέα Υόρκη! Φυσικά, η πρακτικότητα της κατασκευής και της ανάπτυξης ενός τόσο τεράστιου πανιού είναι αμφισβητήσιμη. Αλλά αν ένα τέτοιο πανί μπορούσε να αναπτυχθεί με επιτυχία, θα μπορούσαν να επιτευχθούν καταπληκτικοί προορισμοί.

Πόσο γρήγορα μπορεί να πάει ένα ηλιακό πανί;

Η ταχύτητα ενός ηλιακού πανιού εξαρτάται από το μέγεθος και τη μάζα του. Ένα μεγαλύτερο πανί αιχμαλωτίζει περισσότερο ηλιακό φως, κερδίζοντας περισσότερη ορμή και επιταχύνοντας πιο γρήγορα για την ίδια μάζα. Για ένα δεδομένο μέγεθος πανιού, ένα διαστημικό σκάφος χαμηλότερης μάζας θα έχει υψηλότερη επιτάχυνση. Η επιτάχυνση εξαρτάται επίσης από την απόστασή της από μια πηγή φωτός και την ισχύ της πηγής φωτός. Καθώς ένα διαστημόπλοιο ηλιακού πανιού απομακρύνεται από τον Ήλιο, η ποσότητα του ηλιακού φωτός που έχει στη διάθεσή του μειώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι επιταχύνει λιγότερο γρήγορα. Θεωρητικά, ισχυρά λέιζερ θα μπορούσαν να στοχεύουν σε ένα μακρινό ηλιακό ιστίο, παρέχοντας κάποια επιπλέον επιτάχυνση καθώς το διαστημικό σκάφος απομακρύνεται από τον Ήλιο.

Για να δώσουμε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα ταχύτητας ηλιακού πανιού, τα πανιά 32 τετραγωνικών μέτρων του LightSail 2 το επιταχύνουν σε μόλις 0,058 mm / s². Σε ένα μήνα συνεχούς ηλιακού φωτός, η ταχύτητα του διαστημικού σκάφους θα αυξανόταν συνολικά κατά 549 χιλιόμετρα την ώρα, περίπου την ταχύτητα ενός αεριωθούμενου αεροσκάφους με ταχύτητα πλεύσης.

Τα μεγαλύτερα πανιά, ή τα μικρά πανιά που επιταχύνονται από λέιζερ, θα μπορούσαν θεωρητικά να πάνε πολύ πιο γρήγορα. Το 2016, η ομάδα Breakthrough Initiatives ανακοίνωσε ένα σχέδιο για την αποστολή ενός στόλου μικροσκοπικών ηλιακών πανιών με λέιζερ στο πλησιέστερο αστέρι μας, τον Alpha Centauri. Το διαστημικό σκάφος θα στοχοποιηθεί στο διάστημα με λέιζερ που βασίζονται στη Γη και θα επιταχύνει στο 20 τοις εκατό την ταχύτητα του φωτός.

Πόσο ακριβή είναι η ηλιακή ιστιοπλοΐα;

Η κατασκευή ενός ηλιακού πανιού, ειδικά ενός πολύ μεγάλου, είναι ένας άθλος που χρειάζεται ακόμα ανάπτυξη. Και ότι η έρευνα και η ανάπτυξη μπορεί να είναι δαπανηρές. Αλλά μόλις τα ηλιακά πανιά δοκιμαστούν και κατανοηθούν καλύτερα, θα μπορούσαν να είναι ένα σχετικά φθηνό μέσο πρόωσης. Το φως του ήλιου είναι ελεύθερο και απεριόριστο, πράγμα που σημαίνει ότι ένα ηλιακό διαστημικό σκάφος θα μπορούσε να διανύσει μεγαλύτερες αποστάσεις χωρίς να χρειάζεται να αυξήσει την ποσότητα καυσίμου που μεταφέρει στο πλοίο και θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιήσει μικρότερους, φθηνότερους πυραύλους εκτόξευσης για το ίδιο ταξίδι. Έτσι, για να ταξιδέψετε με μεγάλες ταχύτητες σε μακρινούς προορισμούς ή για να παρέχετε μακροπρόθεσμη σταθερότητα σε μια κατά τα άλλα ασταθή τροχιά, η ηλιακή ιστιοπλοΐα θα μπορούσε να είναι μια προσιτή επιλογή.

Τα διαστημόπλοια LightSail της Πλανητικής Εταιρείας χρηματοδοτήθηκαν εξ ολοκλήρου από μέλη της Εταιρείας, ιδιώτες δωρητές και υποστηρικτές μιας εκστρατείας crowdfunding μέσω του Kickstarter. Μαζί, αυτοί οι δεκάδες χιλιάδες άνθρωποι συγκέντρωσαν τους πόρους τους για να κατασκευάσουν και να εκτοξεύσουν ηλιακά διαστημόπλοια ιστιοπλοΐας. Πρόκειται για μια ιστορική απόδειξη του τι είναι δυνατό όταν οι άνθρωποι ενώνονται για να υποστηρίξουν την εξερεύνηση του διαστήματος.

Γιατί θέλουμε ηλιακά πανιά; Πού θα μας οδηγήσουν τα ηλιακά πανιά;

Το πιο συναρπαστικό πράγμα για τα ηλιακά πανιά είναι ότι θα μπορούσαν να ανοίξουν νέους δρόμους για την επιστήμη και την εξερεύνηση του διαστήματος. Ένα ηλιακό διαστημόπλοιο με ιστία θα μπορούσε να φτάσει σε μακρινούς πλανήτες και αστρικά συστήματα πολύ πιο γρήγορα από ένα πυραυλοκίνητο διαστημικό σκάφος λόγω της συνεχούς επιτάχυνσης που παρέχει η ηλιακή ιστιοπλοΐα. Ωστόσο, η τεχνολογία για διαπλανητική ή διαστρική ηλιακή ιστιοπλοΐα απέχει ακόμη πολύ από το να αναπτυχθεί.

Βραχυπρόθεσμα, η ηλιακή ιστιοπλοΐα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για άλλες κατηγορίες αποστολών, συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής παρακολούθησης, των πτήσεων πολλαπλών αντικειμένων και των διαστημοπλοίων “pole-sitting” για συνεχείς παρατηρήσεις των πολικών περιοχών της Γης ή άλλου αντικειμένου.

Τα ηλιακά πανιά μπορούν επίσης να παρέχουν πρόωση για cubeSats – μικρούς, φθηνούς δορυφόρους που χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από αναδυόμενα διαστημικά έθνη, μικρές εταιρείες, ακόμη και σχολικές ομάδες – επιτρέποντάς τους να κάνουν ελιγμούς στο διάστημα χωρίς να βασίζονται σε καύσιμα πυραύλων. Η αποστολή LightSail της Πλανητικής Εταιρείας επιδεικνύει τη δυνητική χρήση ηλιακών πανιών για cubeSats.

Πότε εφευρέθηκε το ηλιακό πανί;

Η ηλιακή ιστιοπλοΐα είναι μια ιδέα με μακρά ιστορία, που χρονολογείται από μια ιδέα που ο Johannes Kepler μοιράστηκε με τον φίλο του Galileo Galilei το 1608.

Η Πλανητική Εταιρεία είναι ένας από τους πρωτοπόρους της τεχνολογίας ηλιακής ιστιοπλοΐας. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, κατασκευάσαμε το διαστημόπλοιο Cosmos 1. Στις 21 Ιουνίου 2005, το Cosmos 1 ξεκίνησε από το υποβρύχιο Borisoglebsk στη Θάλασσα του Μπάρεντς. Ωστόσο, μια βλάβη πυραύλου εμπόδισε το διαστημικό σκάφος να φτάσει σε τροχιά. Εάν η αποστολή ήταν επιτυχής, θα ήταν η πρώτη χρήση ενός ηλιακού διαστημικού σκάφους, καθώς και η πρώτη διαστημική αποστολή από μια ομάδα υπεράσπισης του διαστήματος.

Ποιος έχει κατασκευάσει ηλιακά πανιά; Ποιες ηλιακές αποστολές ιστιοπλοΐας υπάρχουν;

Από την αποτυχημένη αποστολή Cosmos 1, τα ηλιακά πανιά έχουν κατασκευαστεί και εκτοξευθεί με επιτυχία από την Ιαπωνική Υπηρεσία Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης (JAXA) με το διαστημικό σκάφος IKAROS που επέδειξε για πρώτη φορά ελεγχόμενη ηλιακή ιστιοπλοΐα, από τη NASA με το διαστημικό σκάφος NanoSail-D και από την Πλανητική Εταιρεία με το διαστημικό μας σκάφος LightSail 1.

Πολλές περισσότερες αποστολές ηλιακής ιστιοπλοΐας βρίσκονται σε εξέλιξη, συμπεριλαμβανομένης της αποστολής LightSail 2 της Πλανητικής Εταιρείας και της αποστολής NEA Scout της NASA σε έναν αστεροειδή κοντά στη Γη. Το Προηγμένο Σύνθετο Ηλιακό Σύστημα Ιστίων της NASA, ή ACS3, που θα εκτοξευθεί το 2022 θα δοκιμάσει ένα μεγαλύτερο ιστίο σε τροχιά γύρω από τη Γη από προηγούμενες αποστολές. Η αποστολή Solar Cruiser της NASA που θα εκτοξευθεί το 2025 θα δοκιμάσει ένα ακόμη μεγαλύτερο ηλιακό πανί μεγέθους πάνω από έξι γηπέδων τένις.

Ποιο είναι το μεγαλύτερο ηλιακό πανί;

Το μεγαλύτερο ηλιακό ιστίο που κατασκευάστηκε μέχρι σήμερα είναι το διαστημόπλοιο ΙΚΑΡΟΣ που αναπτύχθηκε από την JAXA. Το μέγεθος του πανιού του ΙΚΑΡΟΥ είναι 196 τετραγωνικά μέτρα, περίπου το μισό μέγεθος ενός γηπέδου μπάσκετ. Αυτή ήταν η πρώτη διαπλανητική ηλιακή αποστολή ιστιοπλοΐας, που ταξίδεψε στην Αφροδίτη και μετά σε τροχιά προς την μακρινή πλευρά του Ήλιου.

Αλλά το μέγεθος δεν είναι το παν. Ακόμη και με μικρότερο πανί (32 τετραγωνικά μέτρα), η επιτάχυνση του LightSail 2 θα είναι περίπου δεκαπλάσια από αυτή του ΙΚΑΡΟΥ. Αυτό συμβαίνει επειδή το σώμα του διαστημικού σκάφους LightSail 2 είναι πολύ μικρότερο και ελαφρύτερο από αυτό του ΙΚΑΡΟΥ, οπότε το ιστίο έχει λιγότερη μάζα για να προωθηθεί.

Ένα ηλιακό πανί πετάει στον ηλιακό άνεμο;

Όχι. Τα ηλιακά πανιά πετούν πάνω σε φωτόνια, ενώ ο ηλιακός άνεμος αποτελείται από διαφορετικά ιονισμένα σωματίδια που εκτοξεύονται από τον Ήλιο. Αυτά τα σωματίδια κινούνται πιο αργά από το φως και δημιουργούν μια δύναμη που είναι μικρότερη από ένα τοις εκατό τόσο ισχυρή όσο η ελαφριά πίεση.

Και ένα πολύ ωραίο video από τον Bill Nye