Aimants à plasma utilisant l'envolée dynamique pour atteindre 2 % de la vitesse de la lumière

Plusieurs concepts existent pour exploiter le vent solaire comme moyen de propulsion : le MagSail, l'e-sail et l'aimant plasma. Tous ces concepts fonctionnent principalement comme des dispositifs de traînée et sont donc limités à des vitesses égales à celles du vent solaire (~ 700 km/s), avec une capacité limitée à générer une force transversale à la direction locale du vent solaire (c'est-à-dire la portance). Une possibilité intéressante à explorer est le vol dynamique : exploiter la différence de vitesse du vent dans deux régions différentes de l’espace. Les albatros et les planeurs sont connus pour utiliser cette technique, tournant dans et hors des régions de cisaillement du vent. Birch (JBIS, 1989) a suggéré qu'une telle technique pourrait être utilisée via une « aile MHD » pour des applications de voyage interstellaire, mais n'a pas exploré davantage le concept.

Un vaisseau spatial doté d'une antenne directionnelle à ondes de plasma qui transmet une impulsion au milieu interplanétaire ou interstellaire local, générant une force sur l'antenne (ascenseur). Des manœuvres d'envol dynamique répétées sont effectuées pour extraire de l'énergie et gagner des multiples de la vitesse du vent solaire pour atteindre des vitesses jusqu'à dix fois supérieures à la vitesse maximale du vent solaire et atteindre environ 2 % de la vitesse de la lumière.

Le développement du concept d'interaction avec le vent solaire comme moyen de propulsion nécessitera une validation expérimentale par étapes, dont la première serait la démonstration d'une traînée significative contre le vent solaire à l'aide d'une structure magnétique pour la propulsion. L'aimant à plasma semble être le plus performant en termes d'accélérations des concepts de traînée examinés dans l'introduction, donc une démonstration de la technologie de l'aimant à plasma semble être la prochaine étape logique. Une étude récente a proposé un petit concept de démonstrateur cubesat de 16U appelé Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) qui pourrait transiter sur l'orbite de Jupiter seulement 6 mois après son lancement depuis la Terre. Une autre application de la technologie des aimants à plasma éoliens serait la démonstration d’un accès rapide à la distance de la lentille gravitationnelle solaire (SGL) (> 550 UA). L'étude, appelée Wind Rider Pathfinder Mission, a montré que la région SGL pourrait être accessible en moins de 7 ans après le lancement grâce à cette technologie. Ces missions révolutionnaires permettraient de valider qu'une énergie propulsive significative pourrait être extraite du vent solaire, fournissant ainsi une base pour le concept plus avancé d'extraction d'énergie électrique du vent pour la production d'ascenseurs.

Envoyer des télescopes vers la lentille gravitationnelle solaire augmenterait les capacités de visualisation d'un télescope des milliards de fois, car il observerait la lumière focalisée par le soleil de près d'un million de kilomètres de large. un télescope à lentille gravitationnelle solaire. Aux longueurs d’onde optiques ou quasi optiques, l’amplification de la lumière est de l’ordre de 200 milliards de fois et avec une résolution angulaire tout aussi impressionnante. Si nous parvenons à atteindre cette région à partir de 550 UA du Soleil, nous pourrons réaliser une imagerie directe des exoplanètes. Une mission d’imagerie est un défi mais réalisable, en utilisant des technologies déjà disponibles ou en cours de développement. Dans des conditions réalistes, l’imagerie mégapixel d’exoplanètes semblables à la Terre dans notre voisinage galactique ne nécessite que des semaines ou des mois d’intégration, et non des années comme on le pensait auparavant.

L'équipe a étudié l'envoi de télescopes d'un mètre environ vingt fois plus loin que Pluton pour utiliser la gravité de la lumière qui courbe le soleil. Le Soleil mesure 865000 109 milles de diamètre, soit 3 fois plus large que la Terre. La gravité vous permet d’exploiter le soleil comme un collecteur de lumière géant. Nous pouvons nous éloigner de XNUMX jours-lumière de la Terre et imager des planètes dans d’autres systèmes solaires. Ce serait comme si nous envoyions une sonde dans l’autre système solaire.

Si cette méthode fonctionne, nous pourrions explorer d’autres systèmes solaires dans les années 2030.

Cette approche s'appuie sur le concept d'un entraînement propulsif alimenté par une pression dynamique externe [appelé q-drive (Greason, 2019)], cependant, dans le concept actuel, aucune masse de réaction embarquée n'est utilisée. En utilisant la production d’énergie externe pour accélérer la matière disponible dans le vent solaire perpendiculairement au flux au-dessus du véhicule, on génère une portance d’une ampleur supérieure à la traînée générée par le processus d’extraction d’énergie. Le résultat est un type d’aile génératrice de portance, mais sans structure physique. Dans la section 2, les principes de fonctionnement de ce mécanisme générateur de portance sont développés en détail. Dans la section 3, des concepts de mission potentiels sont développés en utilisant les régions de fort cisaillement du vent disponibles dans le système solaire, à savoir l'interface entre le vent solaire rapide (polaire) et lent (équatorial) et le choc final où le vent solaire passe du supersonique au vent solaire. flux subsonique, pour atteindre des vitesses de ≈2% de c.

Plusieurs structures du système solaire offrent des gradients de vent suffisamment importants pour permettre des manœuvres dynamiques d'envol pour extraire de l'énergie. De telles structures incluent, sans s'y limiter : le choc final, l'héliopause, le vent solaire lent et rapide et la limite de la magnétosphère planétaire. Bien que la densité de ces structures varie, l'analyse des dispositifs de traînée tels que l'aimant à plasma a montré que l'étendue de la magnétosphère générée artificiellement autour du véhicule s'étend naturellement à mesure que la densité environnante diminue. Plus précisément, la structure magnétique autour du vaisseau spatial se développera jusqu'à ce que la pression magnétique corresponde à la pression dynamique du vent solaire. Cet effet rend les dispositifs tels que l'aimant à plasma presque constants lorsqu'ils s'éloignent du Soleil. Aux fins de l'analyse de cet article, nous avons adopté des valeurs constantes de traînée et, puisque la puissance de portance générée dérive du mouvement du dispositif de traînée à travers le plasma, des valeurs constantes de portance également.

Un véhicule (ou un oiseau) exécute une collision élastique lorsqu’il entre dans le flux d’air en mouvement via une manœuvre d’inclinaison à faible traînée. À mesure que le véhicule rentre dans l’air calme, il a gagné deux fois la vitesse du vent. En s'inclinant alors dans l'air calme, le véhicule peut réintégrer le courant de vent et augmenter à nouveau sa vitesse, en répétant la manœuvre encore et encore jusqu'à ce que les pertes de traînée contrecarrent les gains de vitesse et qu'une vitesse maximale soit atteinte. Récemment, des passionnés de planeurs télécommandés ont atteint des vitesses remarquables dépassant 850 km/h, soit environ 10 fois la vitesse du vent, en utilisant cette technique avec des planeurs sans propulsion embarquée.

Un vaisseau spatial peut interagir avec des flux de gaz ionisés dans l'espace (le vent solaire ou le milieu interstellaire) afin d'être accéléré à des vitesses supérieures à la vitesse d'écoulement. Inspiré par les manœuvres dynamiques d'envol effectuées par les oiseaux de mer et les planeurs dans lesquelles les différences de vitesse du vent sont exploitées pour gagner en vitesse, dans la technique proposée, un vaisseau spatial générateur de portance fait le tour entre les régions de l'héliosphère qui ont des vitesses de vent différentes, gagnant ainsi de l'énergie. sans utilisation de propulseur et avec seulement des besoins modestes en énergie à bord.

Dans l’analyse la plus simple, le mouvement de l’engin spatial peut être modélisé comme une série de collisions élastiques entre des régions du milieu se déplaçant à des vitesses différentes. Des modèles plus détaillés de la trajectoire du vaisseau spatial sont développés pour prédire les gains de vitesse potentiels et la vitesse maximale pouvant être atteinte en termes de rapport portance/traînée du véhicule. Un mécanisme générateur de portance est proposé dans lequel la puissance est extraite du flux sur le véhicule dans la direction du vol, puis utilisée pour accélérer le milieu environnant dans la direction transversale, générant une portance (c'est-à-dire une force perpendiculaire au flux). Des valeurs élevées du rapport portance/traînée s'avèrent possibles dans le cas où une faible vitesse transversale est conférée sur une grande zone d'interaction. L'exigence d'une grande zone d'interaction dans la densité extrêmement faible de l'héliosphère exclut l'utilisation d'une aile physique, mais l'utilisation d'ondes de plasma générées par une antenne directionnelle compacte pour transmettre une impulsion au milieu environnant est réalisable, avec l'excitation de Les ondes R, les ondes X, les ondes d'Alfven et les ondes magnétosoniques apparaissent comme des candidats prometteurs. Une mission conceptuelle est définie dans laquelle un envol dynamique est effectué sur le choc final de l'héliosphère, permettant à un vaisseau spatial d'atteindre des vitesses approchant 2 % de c dans les deux ans et demi suivant le lancement sans dépenser de propulseur. La technique peut constituer la première étape d’une mission en plusieurs étapes visant à réaliser un véritable vol interstellaire vers d’autres systèmes solaires.

Les voiles solaires sont le premier exemple d'une technologie de propulsion qui utilise les photons librement disponibles émanant du Soleil, mais même les voiles solaires les plus extrêmes - lancées à proximité du Soleil en utilisant des matériaux à température élevée et avec la densité surfacique la plus faible (par exemple, l'aérographite) - ne serait capable d’atteindre que 2 % de c (Heller et al., 2020) ; les voiles solaires plus conventionnelles sont limitées à moins de 0.5 % de c (Davoyan et al., 2021). Récemment, Lingam et Loeb (Lingam et Loeb, 2020) ont examiné des objets astrophysiques (par exemple, des étoiles massives, des supernovae, etc.) qui permettraient à une voile lumineuse poussée par des radiations d'atteindre des vitesses de 10 % de c ou plus, mais cela reste laisse le problème de savoir comment la technologie humaine issue du système solaire peut réaliser un vol interstellaire.