آهنرباهای پلاسما با استفاده از افزایش دینامیک برای رسیدن به 2٪ سرعت نور

تعدادی از مفاهیم برای بهره برداری از باد خورشیدی به عنوان وسیله ای برای رانش وجود دارد: MagSail، بادبان الکترونیکی، و آهنربای پلاسما. همه این مفاهیم عمدتاً به عنوان دستگاه‌های کششی کار می‌کنند و بنابراین به سرعت‌هایی برابر با باد خورشیدی (~700 کیلومتر بر ثانیه) محدود می‌شوند و تنها توانایی محدودی برای تولید نیروی عرضی نسبت به جهت محلی باد خورشیدی (یعنی بالابر) دارند. یک امکان جالب برای کشف، اوج گیری پویا است: بهره برداری از تفاوت سرعت باد در دو منطقه مختلف فضا. آلباتروس‌ها و هواپیماهای بادبانی از این تکنیک استفاده می‌کنند و در داخل و خارج از مناطق برشی باد می‌چرخند. توس (JBIS، 1989) پیشنهاد کرد که چنین تکنیکی می تواند از طریق "بال MHD" برای برنامه های سفر بین ستاره ای مورد استفاده قرار گیرد، اما این مفهوم را بیشتر بررسی نکرد.

فضاپیمایی با آنتن موج پلاسمای جهت دار که به محیط بین سیاره ای یا بین ستاره ای محلی حرکت می دهد و نیرویی بر روی آنتن (بالابر) ایجاد می کند. مانورهای اوج پویا مکرر برای استخراج انرژی و به دست آوردن چند برابر سرعت باد خورشیدی برای دستیابی به سرعت هایی تا ده برابر بیشتر از حداکثر سرعت باد خورشیدی و رسیدن به حدود 2 درصد سرعت نور ساخته می شود.

توسعه مفهوم برهمکنش با باد خورشیدی به عنوان وسیله‌ای برای پیش‌رانش، مستلزم اعتبارسنجی آزمایشی در مراحل است، اولین مرحله نشان دادن کشش قابل‌توجه در برابر باد خورشیدی با استفاده از ساختار مغناطیسی برای نیروی محرکه است. به نظر می رسد آهنربای پلاسما بالاترین عملکرد را از نظر شتاب مفاهیم درگ بررسی شده در مقدمه دارد، بنابراین نمایش فناوری آهنربای پلاسما قدم منطقی بعدی به نظر می رسد. یک مطالعه اخیر یک مفهوم نمایشگر مکعبی کوچک 16U به نام آزمایش سرعت مشاهده مشتری (JOVE) پیشنهاد کرده است که می تواند تنها 6 ماه پس از پرتاب از زمین از مدار مشتری عبور کند. یکی دیگر از کاربردهای فناوری آهنربای پلاسما سوار بر باد، نمایش دسترسی سریع به فاصله لنزهای گرانشی خورشیدی (SGL) (> 550AU) است. این مطالعه که Wind Rider Pathfinder Mission نامیده می‌شود، نشان می‌دهد که با استفاده از این فناوری می‌توان در کمتر از ۷ سال پس از راه‌اندازی به منطقه SGL دسترسی داشت. این مأموریت‌های پیشگامانه تأیید می‌کند که نیروی محرکه معنی‌داری می‌تواند از باد خورشیدی استخراج شود و پایه‌ای برای مفهوم پیشرفته‌تر استخراج نیروی الکتریکی از باد برای تولید آسانسور فراهم کند.

ارسال تلسکوپ به عدسی گرانشی خورشیدی، قابلیت‌های تجسم تلسکوپ را میلیاردها بار افزایش می‌دهد، زیرا این تلسکوپ به نور متمرکز شده توسط خورشید نزدیک به میلیون مایل نگاه می‌کند. تلسکوپ عدسی گرانشی خورشیدی در طول موج های نوری یا نزدیک به نور، تقویت نور در حدود 200 میلیارد بار و با وضوح زاویه ای به همان اندازه قابل توجه است. اگر بتوانیم از خورشید در فاصله 550 واحد نجومی به این منطقه برسیم، می‌توانیم تصویربرداری مستقیم از سیارات فراخورشیدی انجام دهیم. ماموریت تصویربرداری با استفاده از فناوری هایی که در حال حاضر در دسترس هستند یا در حال توسعه فعال هستند، چالش برانگیز اما امکان پذیر است. تحت شرایط واقع گرایانه، تصویربرداری مگاپیکسلی از سیارات فراخورشیدی مشابه زمین در همسایگی کهکشانی ما تنها به هفته ها یا ماه ها زمان ادغام نیاز دارد، نه سال ها که قبلا تصور می شد.

این تیم در حال بررسی فرستادن تلسکوپ های یک متری به بیرون در حدود بیست برابر دورتر از پلوتون برای استفاده از گرانش نور خمش خورشید بوده است. عرض خورشید 865000 مایل است که 109 برابر پهنای زمین است. گرانش به شما امکان می دهد از خورشید به عنوان یک جمع کننده نور غول پیکر استفاده کنید. ما می توانیم 3 روز نوری از زمین فاصله بگیریم و سیاره های دیگر منظومه شمسی را تصویر کنیم. انگار کاوشگری را به منظومه شمسی دیگر فرستادیم.

اگر این روش کار کند، می‌توانیم در دهه 2030 منظومه‌های خورشیدی دیگر را کاوش کنیم.

این رویکرد بر مفهوم یک درایو پیشران است که توسط فشار دینامیکی خارجی نیرو می‌گیرد [به اصطلاح q-drive (Greason, 2019)]، با این حال، در مفهوم فعلی، هیچ جرم واکنشی روی برد استفاده نمی‌شود. با استفاده از تولید نیروی خارجی برای تسریع ماده موجود در باد خورشیدی عمود بر جریان روی وسیله نقلیه، نیروی بالابری تولید می‌شود که بزرگی آن بیشتر از نیروی پسا تولید شده توسط فرآیند استخراج نیرو است. نتیجه یک نوع بال بالابر است، اما بدون ساختار فیزیکی. در بخش 2، اصول عملیاتی این مکانیسم تولید بالابر به طور مفصل توسعه داده شده است. در بخش 3، مفاهیم ماموریت بالقوه با استفاده از مناطق برش باد شدید موجود در منظومه شمسی، یعنی رابط بین باد سریع (قطبی) و آهسته (استوایی) خورشیدی و شوک پایانی که در آن باد خورشیدی از مافوق صوت به حالت اولیه برمی‌گردد، توسعه می‌یابد. جریان مادون صوت، برای رسیدن به سرعت های ≈2٪ c.

چندین ساختار در منظومه شمسی، شیب باد را به اندازه کافی برای مانورهای اوج گیری دینامیکی برای استخراج انرژی ارائه می دهند. چنین ساختارهایی شامل اما نه محدود به: شوک پایانی، هلیوپاز، باد خورشیدی آهسته و سریع و مرز مغناطیس کره سیاره ای هستند. در حالی که چگالی این ساختارها متفاوت است، تجزیه و تحلیل دستگاه‌های کششی مانند آهنربای پلاسما نشان داده است که وسعت مغناطیس‌کره تولید شده مصنوعی در اطراف خودرو به طور طبیعی با کاهش چگالی اطراف گسترش می‌یابد. به طور خاص، ساختار مغناطیسی اطراف فضاپیما تا زمانی گسترش می یابد که فشار مغناطیسی با فشار دینامیکی باد خورشیدی مطابقت داشته باشد. این اثر باعث می شود وسایلی مانند آهنربای پلاسما در هنگام حرکت به سمت بیرون از خورشید، کشش تقریبا ثابتی داشته باشند. برای اهداف تجزیه و تحلیل در این مقاله، ما مقادیر ثابتی از پسا را ​​اتخاذ کرده‌ایم و از آنجایی که توان بالابر تولید شده از حرکت دستگاه درگ از طریق پلاسما ناشی می‌شود، مقادیر ثابت لیفت نیز وجود دارد.

یک وسیله نقلیه (یا پرنده) هنگام ورود به جریان هوای متحرک از طریق یک مانور بانکی با درگ کم، برخورد کشسانی را انجام می دهد. همانطور که وسیله نقلیه دوباره وارد هوای آرام می شود، سرعت دو برابر جریان باد را به دست آورده است. پس از آن در هوای آرام، وسیله نقلیه می‌تواند دوباره وارد جریان باد شده و سرعت خود را دوباره افزایش دهد، مانور را بارها و بارها تکرار می‌کند تا زمانی که تلفات پسا، افزایش سرعت را خنثی کند و حداکثر سرعت به دست آید. اخیراً، علاقه مندان به گلایدرهای کنترل از راه دور، با استفاده از این تکنیک با گلایدرهایی که نیروی محرکه داخلی ندارند، به سرعت های قابل توجه بیش از 850 کیلومتر در ساعت - تقریباً 10 برابر سرعت باد - دست یافته اند.

یک فضاپیما می‌تواند با جریان‌های گاز یونیزه شده در فضا (باد خورشیدی یا محیط بین ستاره‌ای) تعامل داشته باشد تا به سرعت‌هایی بیشتر از سرعت جریان برسد. با الهام از مانورهای سر به فلک کشیده دینامیکی که توسط پرندگان دریایی و گلایدرها انجام می شود و در آنها از تفاوت سرعت باد برای به دست آوردن سرعت استفاده می شود، در تکنیک پیشنهادی یک فضاپیمای تولید کننده بالابر بین مناطقی از هلیوسفر که سرعت باد متفاوتی دارند دایره می چرخد ​​و در این فرآیند انرژی به دست می آورد. بدون استفاده از پیشرانه و تنها نیازمندی های اندک قدرت در داخل هواپیما.

در ساده‌ترین تحلیل، حرکت فضاپیما را می‌توان به صورت مجموعه‌ای از برخوردهای الاستیک بین مناطقی از محیط در حال حرکت با سرعت‌های مختلف مدل‌سازی کرد. مدل‌های دقیق‌تری از مسیر فضاپیما برای پیش‌بینی افزایش سرعت بالقوه و حداکثر سرعتی که ممکن است بر حسب نسبت بالابر به کشش وسیله نقلیه به دست آید، توسعه داده شده‌اند. یک مکانیسم تولید بالابر پیشنهاد شده است که در آن نیرو از جریان روی وسیله نقلیه در جهت پرواز استخراج می شود و سپس برای شتاب دادن به محیط اطراف در جهت عرضی استفاده می شود و بالابر ایجاد می کند (یعنی نیرویی عمود بر جریان). مقادیر زیاد نسبت بالابر به درگ در مواردی که سرعت عرضی کوچکی در یک ناحیه بزرگ از برهمکنش اعمال می‌شود امکان پذیر است. نیاز به یک منطقه برهمکنش بزرگ در چگالی بسیار کم هلیوسفر، استفاده از بال فیزیکی را منع می کند، اما استفاده از امواج پلاسمایی تولید شده توسط یک آنتن فشرده و جهت دار برای انتقال تکانه به محیط اطراف امکان پذیر است، با تحریک امواج R، امواج ایکس، امواج آلفون، و امواج مغناطیسی به عنوان نامزدهای امیدوارکننده ظاهر می شوند. یک ماموریت مفهومی تعریف می‌شود که در آن اوج‌گیری دینامیکی بر روی شوک پایانی هلیوسفر انجام می‌شود و فضاپیما را قادر می‌سازد تا در عرض دو سال و نیم پس از پرتاب به سرعت‌های نزدیک به ۲ درصد از c بدون هزینه پیشران برسد. این تکنیک ممکن است شامل اولین مرحله برای یک ماموریت چند مرحله ای برای رسیدن به پرواز واقعی بین ستاره ای به منظومه های خورشیدی دیگر باشد.

بادبان های خورشیدی اولین نمونه از یک فناوری نیروی محرکه هستند که از فوتون های آزادانه در دسترس خارج شده از خورشید استفاده می کند، اما حتی شدیدترین بادبان های خورشیدی - که از نزدیک به خورشید با استفاده از مواد با بالاترین دما با کمترین چگالی سطحی (به عنوان مثال، آئروگرافیت) به فضا پرتاب می شوند. تنها قادر به دستیابی به 2٪ از c خواهد بود (هلر و همکاران، 2020). بادبان های خورشیدی معمولی بیشتر به کمتر از 0.5 درصد c محدود می شوند (داوویان و همکاران، 2021). اخیراً، لینگام و لوب (لینگام و لوب، 2020) اجرام اخترفیزیکی (مانند ستارگان پرجرم، ابرنواخترها و غیره) را مورد بررسی قرار داده‌اند که به بادبان نوری تحت فشار تابش اجازه می‌دهند به سرعت 10 درصد c یا بیشتر برسد، اما این هنوز هم وجود دارد. این مشکل را مطرح می کند که چگونه فناوری انسانی منشأ گرفته از منظومه شمسی می تواند به پرواز بین ستاره ای دست یابد.