Plasmamagnete mit dynamischem Höhenflug, um 2 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen

Es gibt verschiedene Konzepte, den Sonnenwind als Antriebsmittel zu nutzen: das MagSail, das E-Segel und den Plasmamagneten. Alle diese Konzepte funktionieren überwiegend als Widerstandsgeräte und sind daher auf Geschwindigkeiten beschränkt, die dem Sonnenwind (~700 km/s) entsprechen, mit nur begrenzter Fähigkeit, Kraft quer zur lokalen Richtung des Sonnenwinds (d. h. Auftrieb) zu erzeugen. Eine interessante Möglichkeit, die es zu erforschen gilt, ist das dynamische Segelfliegen: Dabei wird der Unterschied in der Windgeschwindigkeit in zwei verschiedenen Regionen des Weltraums ausgenutzt. Es ist bekannt, dass Albatrosse und Segelflugzeuge diese Technik anwenden und in und aus Regionen mit Windscherung kreisen. Birch (JBIS, 1989) schlug vor, eine solche Technik über einen „MHD-Flügel“ für interstellare Reiseanwendungen zu nutzen, untersuchte das Konzept jedoch nicht weiter.

Ein Raumschiff mit gerichteter Plasmawellenantenne, die dem lokalen interplanetaren oder interstellaren Medium Impuls verleiht und so eine Kraft auf die Antenne (Auftrieb) erzeugt. Wiederholte dynamische Segelflugmanöver werden durchgeführt, um Energie zu extrahieren und ein Vielfaches der Geschwindigkeit des Sonnenwinds zu erreichen, um Geschwindigkeiten zu erreichen, die bis zu zehnmal höher sind als die maximale Geschwindigkeit des Sonnenwinds und etwa 2 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Die Entwicklung des Konzepts der Interaktion mit dem Sonnenwind als Antriebsmittel erfordert eine schrittweise experimentelle Validierung. Die erste davon wäre der Nachweis eines erheblichen Widerstands gegen den Sonnenwind mithilfe einer magnetischen Struktur als Antrieb. Der Plasmamagnet scheint hinsichtlich der Beschleunigungen der in der Einleitung besprochenen Widerstandskonzepte am leistungsstärksten zu sein, sodass eine Demonstration der Plasmamagnettechnologie der nächste logische Schritt zu sein scheint. Eine aktuelle Studie hat ein kleines 16U-Cubesat-Demonstratorkonzept namens Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) vorgeschlagen, das die Umlaufbahn des Jupiter nur sechs Monate nach dem Start von der Erde durchqueren könnte. Eine weitere Anwendung der windreitenden Plasmamagnettechnologie wäre die Demonstration eines schnellen Zugangs zur Entfernung der Sonnengravitationslinse (SGL) (>6 AE). Die Studie mit dem Namen „Wind Rider Pathfinder Mission“ hat gezeigt, dass die SGL-Region mit dieser Technologie in weniger als sieben Jahren nach dem Start zugänglich sein könnte. Diese bahnbrechenden Missionen würden den Nachweis erbringen, dass sinnvolle Antriebsenergie aus dem Sonnenwind gewonnen werden kann, und eine Grundlage für das fortschrittlichere Konzept der Gewinnung elektrischer Energie aus dem Wind zur Auftriebserzeugung bilden.

Das Senden von Teleskopen an die Gravitationslinse der Sonne würde die Visualisierungsfähigkeiten eines Teleskops um ein Milliardenfaches steigern, da es das von der fast Millionen Meilen großen Sonne gebündelte Licht betrachten würde. ein solares Gravitationslinsenteleskop. Bei optischen oder nahezu optischen Wellenlängen liegt die Lichtverstärkung in der Größenordnung von 200 Milliarden Mal und die Winkelauflösung ist ebenso beeindruckend. Wenn wir diese Region ab einer Entfernung von 550 AE von der Sonne erreichen können, können wir Exoplaneten direkt abbilden. Eine Bildgebungsmission ist anspruchsvoll, aber machbar, da Technologien eingesetzt werden, die entweder bereits verfügbar sind oder sich in der aktiven Entwicklung befinden. Unter realistischen Bedingungen erfordert die Megapixel-Bildgebung erdähnlicher Exoplaneten in unserer galaktischen Nachbarschaft nur Wochen oder Monate Integrationszeit und nicht Jahre, wie bisher angenommen.

Das Team hat untersucht, wie man Ein-Meter-Teleskope etwa zwanzigmal weiter als Pluto hinausschicken kann, um die Schwerkraft des Sonnenlichts zu nutzen, das das Licht beugt. Die Sonne hat einen Durchmesser von 865000 Meilen und ist damit 109-mal breiter als die Erde. Durch die Schwerkraft können Sie die Sonne als riesigen Lichtkollektor nutzen. Wir können uns drei Lichttage von der Erde entfernen und Planeten in anderen Sonnensystemen fotografieren. Es wäre, als ob wir eine Sonde in das andere Sonnensystem schicken würden.

Wenn diese Methode funktioniert, könnten wir in den 2030er Jahren andere Sonnensysteme erforschen.

Dieser Ansatz baut auf dem Konzept eines Antriebsantriebs auf, der durch externen dynamischen Druck angetrieben wird [der sogenannte q-Antrieb (Greason, 2019)], allerdings wird im vorliegenden Konzept keine bordeigene Reaktionsmasse verwendet. Durch die Nutzung der externen Stromerzeugung zur Beschleunigung der im Sonnenwind verfügbaren Materie senkrecht zur Strömung über dem Fahrzeug wird ein Auftrieb erzeugt, der größer ist als der durch den Stromgewinnungsprozess erzeugte Widerstand. Das Ergebnis ist eine Art Auftriebsflügel, allerdings ohne physikalische Struktur. In Abschnitt 2 werden die Funktionsprinzipien dieses Auftriebsmechanismus im Detail erläutert. In Abschnitt 3 werden potenzielle Missionskonzepte entwickelt, die die im Sonnensystem verfügbaren Regionen mit starker Windscherung nutzen, nämlich die Schnittstelle zwischen dem schnellen (polaren) und langsamen (äquatorialen) Sonnenwind und den Endschock, an dem der Sonnenwind vom Überschall zum zurückkehrt Unterschallströmung, um Geschwindigkeiten von ≈2 % von c zu erreichen.

Mehrere Strukturen im Sonnensystem bieten Windgradienten, die groß genug sind, um dynamische Flugmanöver zur Energiegewinnung durchzuführen. Zu diesen Strukturen gehören unter anderem: der Terminationsschock, die Heliopause, der langsame und schnelle Sonnenwind und die Grenze der planetaren Magnetosphäre. Während die Dichte dieser Strukturen variiert, haben Analysen von Widerstandsgeräten wie dem Plasmamagneten gezeigt, dass sich die Ausdehnung der künstlich erzeugten Magnetosphäre um das Fahrzeug herum auf natürliche Weise ausdehnt, wenn die umgebende Dichte abnimmt. Konkret wird sich die magnetische Struktur um das Raumschiff herum ausdehnen, bis der magnetische Druck dem dynamischen Druck des Sonnenwinds entspricht. Dieser Effekt führt dazu, dass Geräte wie der Plasmamagnet einen nahezu konstanten Widerstand haben, wenn sie sich von der Sonne wegbewegen. Für die Zwecke der Analyse in diesem Artikel haben wir konstante Widerstandswerte angenommen, und da die erzeugte Auftriebskraft von der Bewegung der Widerstandseinrichtung durch das Plasma herrührt, haben wir auch konstante Auftriebswerte angenommen.

Ein Fahrzeug (oder Vogel) führt einen elastischen Zusammenstoß aus, wenn es durch ein Querneigungsmanöver mit geringem Luftwiderstand in den sich bewegenden Luftstrom eintritt. Als das Fahrzeug wieder in die ruhende Luft eintritt, hat es die doppelte Geschwindigkeit des Windstroms erreicht. Wenn sich das Fahrzeug dann in der ruhenden Luft neigt, kann es wieder in den Windstrom eintreten und seine Geschwindigkeit erneut erhöhen, wobei das Manöver immer wieder wiederholt wird, bis Widerstandsverluste den Geschwindigkeitsgewinnen entgegenwirken und eine maximale Geschwindigkeit erreicht wird. Kürzlich haben Fans von ferngesteuerten Segelflugzeugen bemerkenswerte Geschwindigkeiten von über 850 km/h – etwa das Zehnfache der Windgeschwindigkeit – erreicht, indem sie diese Technik bei Segelflugzeugen ohne Bordantrieb angewendet haben

Ein Raumschiff kann mit Strömen ionisierten Gases im Weltraum (Sonnenwind oder interstellares Medium) interagieren, um auf Geschwindigkeiten beschleunigt zu werden, die größer als die Strömungsgeschwindigkeit sind. Inspiriert von den dynamischen Flugmanövern von Seevögeln und Segelflugzeugen, bei denen Unterschiede in der Windgeschwindigkeit ausgenutzt werden, um an Geschwindigkeit zu gewinnen, kreist bei der vorgeschlagenen Technik ein auftriebserzeugendes Raumschiff zwischen Regionen der Heliosphäre mit unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und gewinnt dabei Energie ohne den Einsatz von Treibstoff und mit nur geringem Bordstrombedarf.

In der einfachsten Analyse kann die Bewegung des Raumfahrzeugs als eine Reihe elastischer Kollisionen zwischen Regionen des Mediums, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, modelliert werden. Detailliertere Modelle der Flugbahn des Raumfahrzeugs werden entwickelt, um die potenziellen Geschwindigkeitsgewinne und die maximale Geschwindigkeit vorherzusagen, die im Hinblick auf das Auftriebs-Widerstands-Verhältnis des Fahrzeugs erreicht werden kann. Es wird ein auftriebserzeugender Mechanismus vorgeschlagen, bei dem der Strömung über dem Fahrzeug in Flugrichtung Energie entzogen und diese dann zur Beschleunigung des umgebenden Mediums in Querrichtung genutzt wird, wodurch Auftrieb (d. h. eine Kraft senkrecht zur Strömung) erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, dass große Werte des Auftriebs-Widerstands-Verhältnisses möglich sind, wenn eine kleine Quergeschwindigkeit über einen großen Wechselwirkungsbereich ausgeübt wird. Das Erfordernis einer großen Wechselwirkungsfläche in der extrem geringen Dichte der Heliosphäre schließt die Verwendung eines physikalischen Flügels aus, aber die Verwendung von Plasmawellen, die von einer kompakten Richtantenne erzeugt werden, um dem umgebenden Medium Impulse zu verleihen, ist durch die Anregung möglich R-Wellen, X-Wellen, Alfvén-Wellen und Magnetoschallwellen gelten als vielversprechende Kandidaten. Es wird eine konzeptionelle Mission definiert, bei der ein dynamischer Segelflug am Endschock der Heliosphäre durchgeführt wird, der es einem Raumschiff ermöglicht, innerhalb von zweieinhalb Jahren nach dem Start ohne Treibstoffaufwand Geschwindigkeiten von annähernd 2 % von c zu erreichen. Die Technik könnte die erste Stufe einer mehrstufigen Mission sein, um einen echten interstellaren Flug zu anderen Sonnensystemen zu erreichen.

Sonnensegel sind das erste Beispiel einer Antriebstechnologie, die die frei verfügbaren Photonen der Sonne nutzt, aber selbst die extremsten Sonnensegel – gestartet aus der Nähe der Sonne unter Verwendung von Materialien mit der höchsten Temperatur und der niedrigsten Flächendichte (z. B. Aerographit) – wäre nur in der Lage, 2 % von c zu erreichen (Heller et al., 2020); Herkömmlichere Solarsegel sind auf weniger als 0.5 % von c begrenzt (Davoyan et al., 2021). Kürzlich haben Lingam und Loeb (Lingam und Loeb, 2020) astrophysikalische Objekte (z. B. massereiche Sterne, Supernovae usw.) untersucht, die es einem strahlungsgetriebenen Lichtsegel ermöglichen würden, Geschwindigkeiten von 10 % c oder mehr zu erreichen, aber dies ist immer noch der Fall Bleibt das Problem, wie menschliche Technologie aus dem Sonnensystem einen interstellaren Flug erreichen kann.