Μαγνήτες πλάσματος που χρησιμοποιούν Dynamic Soaring για να φτάσουν το 2% της ταχύτητας του φωτός

Υπάρχουν διάφορες έννοιες για την εκμετάλλευση του ηλιακού ανέμου ως μέσου πρόωσης: το MagSail, το e-sail και ο μαγνήτης πλάσματος. Όλες αυτές οι έννοιες λειτουργούν κυρίως ως συσκευές οπισθέλκουσας και επομένως περιορίζονται σε ταχύτητες ίσες με τον ηλιακό άνεμο (~700 km/s), με περιορισμένη μόνο ικανότητα να παράγουν δύναμη εγκάρσια προς την τοπική κατεύθυνση του ηλιακού ανέμου (δηλ. ανύψωση). Μια ενδιαφέρουσα δυνατότητα για εξερεύνηση είναι η δυναμική εκτίναξη: Εκμετάλλευση της διαφοράς στην ταχύτητα του ανέμου σε δύο διαφορετικές περιοχές του διαστήματος. Τα άλμπατρος και τα ανεμοπλάνα είναι γνωστό ότι χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνική, κάνοντας κύκλους μέσα και έξω από περιοχές διάτμησης ανέμου. Ο Birch (JBIS, 1989) πρότεινε ότι μια τέτοια τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μέσω ενός "MHD Wing" για εφαρμογές διαστρικών ταξιδιών, αλλά δεν διερεύνησε περαιτέρω την ιδέα.

Ένα διαστημόπλοιο με κατευθυντική κεραία κυμάτων πλάσματος που προσδίδει ορμή στο τοπικό διαπλανητικό ή διαστρικό μέσο, ​​δημιουργώντας μια δύναμη στην κεραία (ανύψωση). Οι επαναλαμβανόμενοι ελιγμοί δυναμικής εκτίναξης γίνονται για την εξαγωγή ενέργειας και την απόκτηση πολλαπλασίων της ταχύτητας του ηλιακού ανέμου για να επιτευχθούν ταχύτητες έως και δέκα φορές υψηλότερες από τη μέγιστη ταχύτητα του ηλιακού ανέμου και να φτάσουν περίπου το 2% της ταχύτητας του φωτός.

Η ανάπτυξη της έννοιας της αλληλεπίδρασης με τον ηλιακό άνεμο ως μέσο πρόωσης θα απαιτήσει πειραματική επικύρωση σε στάδια, το πρώτο από τα οποία θα ήταν η επίδειξη σημαντικής αντίστασης έναντι του ηλιακού ανέμου χρησιμοποιώντας μια μαγνητική δομή για την πρόωση. Ο μαγνήτης πλάσματος φαίνεται να έχει την υψηλότερη απόδοση όσον αφορά τις επιταχύνσεις των εννοιών οπισθέλκουσας που εξετάστηκαν στην Εισαγωγή, επομένως μια επίδειξη τεχνολογίας μαγνήτη πλάσματος φαίνεται να είναι το επόμενο λογικό βήμα. Μια πρόσφατη μελέτη πρότεινε μια μικρή ιδέα επίδειξης κυβισμάτων 16U που ονομάζεται Πείραμα Παρατήρησης Ταχύτητας του Δία (JOVE) που θα μπορούσε να διέλθει από την τροχιά του Δία μόλις 6 μήνες μετά την εκτόξευση από τη Γη. Μια άλλη εφαρμογή της τεχνολογίας μαγνήτη πλάσματος ανεμοδαρμένης θα ήταν η επίδειξη ταχείας πρόσβασης στην απόσταση του ηλιακού βαρυτικού φακού (SGL) (>550AU). Η μελέτη, που ονομάζεται Wind Rider Pathfinder Mission, έδειξε ότι η περιοχή SGL θα μπορούσε να είναι προσβάσιμη σε λιγότερο από 7 χρόνια από την εκτόξευση χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνολογία. Αυτές οι πρωτοποριακές αποστολές θα παρείχαν επικύρωση ότι η σημαντική προωθητική ισχύς θα μπορούσε να εξαχθεί από τον ηλιακό άνεμο, παρέχοντας τη βάση για την πιο προηγμένη ιδέα της εξαγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο για παραγωγή ανελκυστήρων.

Η αποστολή τηλεσκοπίων στον ηλιακό βαρυτικό φακό θα ενίσχυε τις δυνατότητες οπτικοποίησης ενός τηλεσκοπίου δισεκατομμύρια φορές, επειδή θα κοιτούσε το φως που εστιάζεται από τον ήλιο πλάτους σχεδόν εκατομμυρίων μιλίων. ένα τηλεσκόπιο ηλιακού βαρυτικού φακού. Σε οπτικά ή σχεδόν οπτικά μήκη κύματος, η ενίσχυση του φωτός είναι της τάξης των 200 δισεκατομμυρίων φορές και με εξίσου εντυπωσιακή γωνιακή ανάλυση. Εάν μπορούμε να φτάσουμε σε αυτήν την περιοχή ξεκινώντας από 550 AU από τον Ήλιο, μπορούμε να εκτελέσουμε απευθείας απεικόνιση εξωπλανητών. Μια αποστολή απεικόνισης είναι προκλητική αλλά εφικτή, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες που είτε είναι ήδη διαθέσιμες είτε βρίσκονται σε ενεργό ανάπτυξη. Υπό ρεαλιστικές συνθήκες, η απεικόνιση megapixel εξωπλανητών που μοιάζουν με τη Γη στη γαλαξιακή μας γειτονιά απαιτεί μόνο εβδομάδες ή μήνες χρόνου ολοκλήρωσης, όχι χρόνια όπως πιστεύαμε προηγουμένως.

Η ομάδα ερευνούσε την αποστολή τηλεσκοπίων ενός μέτρου περίπου είκοσι φορές πιο μακριά από τον Πλούτωνα για να χρησιμοποιήσει τη βαρύτητα του φωτός που κάμπτει τον ήλιο. Ο Ήλιος είναι 865000 μίλια κατά μήκος του οποίου είναι 109 φορές ευρύτερος από τη γη. Η βαρύτητα σάς επιτρέπει να αξιοποιήσετε τον ήλιο ως γιγάντιο συλλέκτη φωτός. Μπορούμε να απομακρυνθούμε 3 ημέρες φωτός από τη Γη και να απεικονίσουμε πλανήτες σε άλλα ηλιακά συστήματα. Θα ήταν σαν να στείλαμε έναν ανιχνευτή στο άλλο ηλιακό σύστημα.

Εάν αυτή η μέθοδος λειτουργεί, θα μπορούσαμε να εξερευνήσουμε άλλα ηλιακά συστήματα στη δεκαετία του 2030.

Αυτή η προσέγγιση βασίζεται στην ιδέα μιας προωθητικής κίνησης που τροφοδοτείται από εξωτερική δυναμική πίεση [το λεγόμενο q-drive (Greason, 2019)], ωστόσο, στην παρούσα ιδέα, δεν χρησιμοποιείται επί του σκάφους μάζα αντίδρασης. Χρησιμοποιώντας την εξωτερική παραγωγή ενέργειας για την επιτάχυνση της διαθέσιμης ύλης στον ηλιακό άνεμο κάθετα στη ροή πάνω από το όχημα, δημιουργείται ανύψωση μεγαλύτερη σε μέγεθος από την αντίσταση που παράγεται από τη διαδικασία εξαγωγής ισχύος. Το αποτέλεσμα είναι ένας τύπος πτερυγίου που δημιουργεί ανύψωση, αλλά χωρίς φυσική δομή. Στην Ενότητα 2, αναπτύσσονται λεπτομερώς οι αρχές λειτουργίας αυτού του μηχανισμού παραγωγής ανύψωσης. Στην Ενότητα 3, αναπτύσσονται ιδέες πιθανής αποστολής χρησιμοποιώντας περιοχές υψηλής διάτμησης ανέμου που είναι διαθέσιμες στο Ηλιακό Σύστημα, δηλαδή τη διεπαφή μεταξύ του γρήγορου (πολικού) και του αργού (ισημερινού) ηλιακού ανέμου και του σοκ τερματισμού όπου ο ηλιακός άνεμος επανέρχεται από υπερηχητικό σε υποηχητική ροή, για να φτάσει σε ταχύτητες ≈2% του γ.

Αρκετές δομές στο Ηλιακό Σύστημα προσφέρουν κλίσεις ανέμου αρκετά μεγάλες για δυναμικούς ανυψωτικούς ελιγμούς για την εξαγωγή ενέργειας. Τέτοιες δομές περιλαμβάνουν αλλά δεν περιορίζονται σε: το σοκ τερματισμού, την ηλιόπαυση, τον αργό και γρήγορο ηλιακό άνεμο και το όριο της πλανητικής μαγνητόσφαιρας. Ενώ η πυκνότητα αυτών των δομών ποικίλλει, η ανάλυση συσκευών οπισθέλκουσας όπως ο μαγνήτης πλάσματος έχει δείξει ότι η έκταση της τεχνητά παραγόμενης μαγνητόσφαιρας γύρω από το όχημα επεκτείνεται φυσικά καθώς μειώνεται η περιβάλλουσα πυκνότητα. Συγκεκριμένα, η μαγνητική δομή γύρω από το διαστημόπλοιο θα επεκταθεί έως ότου η μαγνητική πίεση ταιριάζει με τη δυναμική πίεση του ηλιακού ανέμου. Αυτό το φαινόμενο κάνει συσκευές όπως ο μαγνήτης πλάσματος σχεδόν σταθερή έλξη καθώς κινούνται προς τα έξω από τον Ήλιο. Για τους σκοπούς της ανάλυσης σε αυτό το άρθρο, έχουμε υιοθετήσει σταθερές τιμές οπισθέλκουσας και, καθώς η ισχύς ανύψωσης που παράγεται προέρχεται από την κίνηση της συσκευής έλξης μέσω του πλάσματος, σταθερές τιμές ανύψωσης επίσης.

Ένα όχημα (ή πουλί) εκτελεί μια ελαστική σύγκρουση όταν εισέρχεται στο κινούμενο ρεύμα αέρα μέσω ενός ελιγμού τραπεζικής χαμηλής οπισθέλκουσας. Καθώς το όχημα εισέρχεται ξανά στον ήρεμο αέρα, έχει αποκτήσει διπλάσια ταχύτητα από το ρεύμα του ανέμου. Έχοντας στη συνέχεια απομακρυνθεί στον ήρεμο αέρα, το όχημα μπορεί να εισέλθει ξανά στο ρεύμα του ανέμου και να αυξήσει ξανά την ταχύτητά του, επαναλαμβάνοντας τον ελιγμό ξανά και ξανά έως ότου οι απώλειες οπισθέλκουσας εξουδετερώσουν τα κέρδη της ταχύτητας και να επιτευχθεί η μέγιστη ταχύτητα. Πρόσφατα, οι λάτρεις του ανεμόπτερου τηλεχειρισμού έχουν επιτύχει αξιοσημείωτες ταχύτητες που ξεπερνούν τα 850 km/h—περίπου 10 φορές την ταχύτητα του ανέμου—επικαλούμενοι αυτήν την τεχνική με ανεμόπτερα που δεν έχουν ενσωματωμένη πρόωση

Ένα διαστημόπλοιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με ροές ιονισμένου αερίου στο διάστημα (τον ηλιακό άνεμο ή το διαστρικό μέσο) προκειμένου να επιταχυνθεί σε ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα ροής. Εμπνευσμένο από τους δυναμικούς ελιγμούς που εκτελούνται από θαλάσσια πουλιά και ανεμόπτερα, στους οποίους οι διαφορές στην ταχύτητα του ανέμου εκμεταλλεύονται για να αποκτήσουν ταχύτητα, στην προτεινόμενη τεχνική ένα διαστημόπλοιο που δημιουργεί ανελκυστήρα κάνει κύκλους μεταξύ περιοχών της ηλιόσφαιρας που έχουν διαφορετικές ταχύτητες ανέμου, κερδίζοντας ενέργεια στη διαδικασία χωρίς τη χρήση προωθητικού και μόνο μέτριες απαιτήσεις ισχύος επί του σκάφους.

Στην απλούστερη ανάλυση, η κίνηση του διαστημικού σκάφους μπορεί να μοντελοποιηθεί ως μια σειρά από ελαστικές συγκρούσεις μεταξύ περιοχών του μέσου που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες. Αναπτύσσονται πιο λεπτομερή μοντέλα της τροχιάς του διαστημικού σκάφους για την πρόβλεψη των πιθανών κερδών ταχύτητας και της μέγιστης ταχύτητας που μπορεί να επιτευχθεί σε σχέση με τον λόγο ανύψωσης προς έλξη του οχήματος. Προτείνεται ένας μηχανισμός παραγωγής ανύψωσης στον οποίο η ισχύς εξάγεται από τη ροή πάνω από το όχημα προς την κατεύθυνση πτήσης και στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση του περιβάλλοντος μέσου στην εγκάρσια κατεύθυνση, δημιουργώντας ανύψωση (δηλ. μια δύναμη κάθετη στη ροή). Μεγάλες τιμές αναλογίας ανύψωσης προς έλξη φαίνεται ότι είναι δυνατές στην περίπτωση που μια μικρή εγκάρσια ταχύτητα μεταδίδεται σε μια μεγάλη περιοχή αλληλεπίδρασης. Η απαίτηση για μια μεγάλη περιοχή αλληλεπίδρασης στην εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα της ηλιόσφαιρας αποκλείει τη χρήση μιας φυσικής πτέρυγας, αλλά η χρήση κυμάτων πλάσματος που παράγονται από μια συμπαγή, κατευθυντική κεραία για να προσδώσουν ορμή στο περιβάλλον μέσο είναι εφικτή, με τη διέγερση Τα κύματα R, τα κύματα Χ, τα κύματα Alfven και τα μαγνητοφωνικά κύματα εμφανίζονται ως πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι. Ορίζεται μια εννοιολογική αποστολή στην οποία εκτελείται δυναμική εκτίναξη στο σοκ τερματισμού της ηλιόσφαιρας, επιτρέποντας σε ένα διαστημόπλοιο να φτάσει ταχύτητες που πλησιάζουν το 2% του c μέσα σε δυόμισι χρόνια από την εκτόξευση χωρίς τη δαπάνη προωθητικού. Η τεχνική μπορεί να περιλαμβάνει το πρώτο στάδιο για μια αποστολή πολλαπλών σταδίων για την επίτευξη πραγματικής διαστρικής πτήσης σε άλλα ηλιακά συστήματα.

Τα ηλιακά πανιά είναι το πρώτο παράδειγμα τεχνολογίας πρόωσης που χρησιμοποιεί τα ελεύθερα διαθέσιμα φωτόνια που προέρχονται από τον Ήλιο, αλλά ακόμη και τα πιο ακραία ηλιακά ιστιοφόρα —που εκτοξεύτηκαν από κοντά στον Ήλιο χρησιμοποιώντας υλικά υψηλότερης θερμοκρασίας με τη χαμηλότερη επιφανειακή πυκνότητα (π.χ. αερογραφίτης)— θα ήταν ικανό να επιτύχει μόνο το 2% του c (Heller et al., 2020). Τα περισσότερα συμβατικά ηλιακά πανιά περιορίζονται σε λιγότερο από 0.5% του c (Davoyan et al., 2021). Πρόσφατα, οι Lingam και Loeb (Lingam and Loeb, 2020) εξέτασαν αστροφυσικά αντικείμενα (π.χ. τεράστια αστέρια, σουπερνόβα κ.λπ.) που θα επέτρεπαν σε ένα ελαφρύ πανί που ωθείται από την ακτινοβολία να επιτύχει ταχύτητες 10% του c ή μεγαλύτερες, αλλά αυτό εξακολουθεί να αφήνει το πρόβλημα του πώς η ανθρώπινη τεχνολογία που προέρχεται από το Ηλιακό Σύστημα μπορεί να επιτύχει διαστρική πτήση.