Plasmamagneter, der bruger dynamisk svævning til at gå 2 % af lysets hastighed

Der eksisterer en række koncepter for at udnytte solvinden som fremdriftsmiddel: MagSail, e-sail og plasmamagnet. Alle disse koncepter fungerer overvejende som modstandsanordninger og er således begrænset til hastigheder svarende til solvinden (~700 km/s), med kun begrænset evne til at generere kraft på tværs af den lokale retning af solvinden (dvs. løft). En interessant mulighed for at blive udforsket er dynamisk svævning: Udnyttelse af forskellen i vindhastighed i to forskellige områder af rummet. Albatrosser og svævefly er kendt for at bruge denne teknik, der cirkler ind og ud af områder med vindforskydning. Birch (JBIS, 1989) foreslog, at en sådan teknik kunne bruges via en "MHD Wing" til interstellare rejseanvendelser, men udforskede ikke konceptet yderligere.

Et rumfartøj med retningsbestemt plasmabølgeantenne, der giver momentum til det lokale interplanetariske eller interstellare medium og genererer en kraft på antennen (løft). Gentagne dynamiske svævemanøvrer er lavet for at udvinde energi og få multipla af solvindens hastighed for at opnå hastigheder op til ti gange højere end solvindens maksimale hastighed og nå omkring 2% af lysets hastighed.

Udvikling af konceptet med at interagere med solvinden som et fremdriftsmiddel vil kræve eksperimentel validering i etaper, hvoraf den første vil være demonstration af betydelig modstand mod solvinden ved hjælp af en magnetisk struktur til fremdrift. Plasmamagneten ser ud til at være den højest ydende med hensyn til accelerationer af trækkoncepterne, der er gennemgået i introduktionen, så en demonstration af plasmamagnetteknologi ser ud til at være det næste logiske skridt. En nylig undersøgelse har foreslået et lille 16U cubesat-demonstrationskoncept kaldet Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE), som kunne passere Jupiters kredsløb kun 6 måneder efter opsendelsen fra Jorden. En anden anvendelse af den vindridende plasmamagnetteknologi ville være en demonstration af hurtig adgang til solar gravitationel linse (SGL) afstand (>550AU). Undersøgelsen, kaldet Wind Rider Pathfinder Mission, har vist, at SGL-regionen kan tilgås på mindre end 7 år fra lanceringen ved hjælp af denne teknologi. Disse banebrydende missioner ville give validering af, at meningsfuld fremdriftskraft kunne udvindes fra solvinden, hvilket giver grundlaget for det mere avancerede koncept med at udvinde elektrisk strøm fra vinden til elevatorgenerering.

At sende teleskoper til solens gravitationslinse ville øge visualiseringsevnerne af et teleskop milliarder af gange, fordi det ville se på lys fokuseret af den næsten millioner kilometer brede sol. et solar gravitationel linse teleskop. Ved optiske eller næsten optiske bølgelængder er forstærkningen af ​​lys i størrelsesordenen 200 milliarder gange og med lige så imponerende vinkelopløsning. Hvis vi kan nå dette område begyndende ved 550 AU fra Solen, kan vi udføre direkte billeddannelse af exoplaneter. En billedbehandlingsmission er udfordrende, men gennemførlig, ved at bruge teknologier, der enten allerede er tilgængelige eller i aktiv udvikling. Under realistiske forhold kræver megapixel-billeddannelse af jordlignende exoplaneter i vores galaktiske kvarter kun uger eller måneders integrationstid, ikke år som tidligere antaget.

Holdet har undersøgt at sende en meter teleskoper ud omkring tyve gange længere end Pluto for at bruge tyngdekraften fra solens bøjede lys. Solen er 865000 miles på tværs, hvilket er 109 gange bredere end jorden. Tyngdekraften lader dig udnytte solen som en kæmpe lyssamler. Vi kan gå 3 lysdage væk fra Jorden og afbilde planeter i andre solsystemer. Det ville være, som om vi sendte en sonde ind i det andet solsystem.

Hvis denne metode virker, kan vi udforske andre solsystemer i 2030'erne.

Denne tilgang bygger på konceptet om et fremdrivende drev, der drives af eksternt dynamisk tryk [det såkaldte q-drev (Greason, 2019)], men i det nuværende koncept bruges der ingen ombordreaktionsmasse. Ved at bruge den eksterne strømproduktion til at accelerere stof, der er tilgængeligt i solvinden vinkelret på strømmen over køretøjet, genereres et løft, der er større i størrelse end modstanden, der genereres af kraftudvindingsprocessen. Resultatet er en type løftegenererende vinge, men uden en fysisk struktur. I afsnit 2 er driftsprincipperne for denne løftegenererende mekanisme udviklet i detaljer. I afsnit 3 udvikles potentielle missionskoncepter under anvendelse af områder med høj vindforskydning, der er tilgængelige i solsystemet, nemlig grænsefladen mellem den hurtige (polære) og langsomme (ækvatoriale) solvind og termineringschokket, hvor solvinden vender tilbage fra supersonisk til subsonisk flow, for at nå hastigheder på ≈2% af c.

Adskillige strukturer i solsystemet tilbyder vindgradienter, der er store nok til dynamiske svævemanøvrer til at udvinde energi. Sådanne strukturer omfatter, men er ikke begrænset til: termineringschokket, heliopausen, den langsomme og hurtige solvind og grænsen for den planetariske magnetosfære. Mens tætheden af ​​disse strukturer varierer, har analyse af trækanordninger såsom plasmamagneten vist, at omfanget af den kunstigt genererede magnetosfære omkring køretøjet naturligt udvider sig, efterhånden som den omgivende tæthed falder. Helt konkret vil den magnetiske struktur omkring rumfartøjet udvide sig, indtil det magnetiske tryk matcher det dynamiske tryk fra solvinden. Denne effekt gør, at enheder som plasmamagneten næsten konstant trækker, når de bevæger sig udad fra Solen. Med henblik på analysen i dette papir har vi vedtaget konstante værdier af modstand, og da den genererede løftekraft stammer fra bevægelsen af ​​modstandsanordningen gennem plasmaet, konstante værdier af løft også.

Et køretøj (eller en fugl) udfører en elastisk kollision, når den kommer ind i den bevægende luftstrøm via en bankmanøvre med lavt træk. Efterhånden som køretøjet kommer ind i den stille luft igen, har det fået dobbelt så meget hastighed som vindstrømmen. Ved derefter at banke ind i den stille luft, kan køretøjet genindtræde i vindstrømmen og øge dens hastighed igen, gentage manøvren igen og igen, indtil modstandstab modvirker hastighedsforøgelserne og en maksimal hastighed opnås. For nylig har fjernstyret svæveflyentusiaster opnået bemærkelsesværdige hastigheder på over 850 km/t - cirka 10 gange vindens hastighed - ved at påberåbe sig denne teknik med svævefly, der ikke har nogen indbygget fremdrift

Et rumfartøj kan interagere med strømme af ioniseret gas i rummet (solvinden eller det interstellare medium) for at blive accelereret til hastigheder, der er større end strømningshastigheden. Inspireret af de dynamiske svævemanøvrer udført af havfugle og svævefly, hvor forskelle i vindhastighed udnyttes til at opnå hastighed, cirkler et løft-genererende rumfartøj i den foreslåede teknik mellem områder af heliosfæren, der har forskellige vindhastigheder, og får energi i processen uden brug af drivmiddel og kun beskedne strømkrav ombord.

I den enkleste analyse kan rumfartøjets bevægelse modelleres som en række elastiske kollisioner mellem områder af mediet, der bevæger sig med forskellige hastigheder. Mere detaljerede modeller af rumfartøjets bane er udviklet til at forudsige de potentielle hastighedsforøgelser og den maksimale hastighed, der kan opnås i forhold til køretøjets løft-til-træk-forhold. Der foreslås en løft-genererende mekanisme, hvor kraft udtages fra strømmen over køretøjet i flyveretningen og derefter bruges til at accelerere det omgivende medium i tværretningen, hvilket genererer løft (dvs. en kraft vinkelret på strømmen). Store værdier af løft-til-træk-forhold er vist at være mulige i det tilfælde, hvor en lille tværgående hastighed bibringes over et stort interaktionsområde. Kravet om et stort interaktionsområde i heliosfærens ekstremt lave tæthed udelukker brugen af ​​en fysisk vinge, men brugen af ​​plasmabølger genereret af en kompakt, retningsbestemt antenne til at give momentum til det omgivende medium er mulig, med excitation af R-bølger, X-bølger, Alfven-bølger og magnetosoniske bølger fremstår som lovende kandidater. En konceptuel mission er defineret, hvor dynamisk svævning udføres på heliosfærens afslutningschok, hvilket gør det muligt for et rumfartøj at nå hastigheder, der nærmer sig 2% af c inden for to et halvt år efter opsendelsen uden udgifter til drivmiddel. Teknikken kan omfatte det første trin for en flertrinsmission for at opnå ægte interstellar flyvning til andre solsystemer.

Solsejl er det første eksempel på en fremdriftsteknologi, der udnytter de frit tilgængelige fotoner, der kommer fra Solen, men selv den mest ekstreme solsejlads – opsendt fra nær Solen ved hjælp af materialer med den højeste temperatur med den laveste arealtæthed (f.eks. aerografit) – ville kun være i stand til at opnå 2 % af c (Heller et al., 2020); mere konventionelle solsejl er begrænset til mindre end 0.5 % af c (Davoyan et al., 2021). For nylig har Lingam og Loeb (Lingam og Loeb, 2020) undersøgt astrofysiske objekter (f.eks. massive stjerner, supernovaer osv.), som ville tillade et strålingsskubbet lyssejl at opnå hastigheder på 10 % af c eller mere, men dette er stadig efterlader problemet med, hvordan menneskelig teknologi, der stammer fra solsystemet, kan opnå interstellar flyvning.