Magnet Plasma Menggunakan Pelonjakan Dinamis untuk Berkecepatan 2% dari Kecepatan Cahaya

Ada sejumlah konsep untuk memanfaatkan angin matahari sebagai alat penggerak: MagSail, layar elektronik, dan magnet plasma. Semua konsep ini sebagian besar berfungsi sebagai alat penarik dan dengan demikian terbatas pada kecepatan yang sama dengan angin matahari (~700 km/s), dengan kemampuan terbatas untuk menghasilkan gaya yang melintang ke arah lokal angin matahari (yaitu gaya angkat). Kemungkinan yang menarik untuk dieksplorasi adalah dinamika melonjak: Memanfaatkan perbedaan kecepatan angin di dua wilayah ruang berbeda. Burung albatros dan pesawat layar diketahui menggunakan teknik ini, berputar masuk dan keluar dari wilayah pergeseran angin. Birch (JBIS, 1989) menyarankan teknik seperti itu dapat digunakan melalui “MHD Wing” untuk aplikasi perjalanan antarbintang, namun tidak mengeksplorasi konsep tersebut lebih jauh.

Pesawat ruang angkasa dengan antena gelombang plasma terarah yang memberikan momentum ke medium antarplanet atau antarbintang lokal, menghasilkan gaya pada antena (gaya angkat). Manuver melonjak dinamis yang berulang-ulang dilakukan untuk mengekstraksi energi dan memperoleh kelipatan kecepatan angin matahari untuk mencapai kecepatan hingga sepuluh kali lebih tinggi dari kecepatan maksimum angin matahari dan mencapai sekitar 2% kecepatan cahaya.

Pengembangan konsep interaksi dengan angin matahari sebagai alat penggerak akan memerlukan validasi eksperimental secara bertahap, yang pertama adalah demonstrasi hambatan signifikan terhadap angin matahari dengan menggunakan struktur magnet sebagai penggerak. Magnet plasma tampaknya memiliki performa tertinggi dalam hal percepatan konsep gaya hambat yang diulas dalam Pendahuluan, sehingga demonstrasi teknologi magnet plasma tampaknya menjadi langkah logis berikutnya. Sebuah studi baru-baru ini telah mengusulkan konsep demonstran kubus kecil 16U yang disebut Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) yang dapat transit di orbit Jupiter hanya 6 bulan setelah peluncuran dari Bumi. Penerapan lain dari teknologi magnet plasma pengendara angin adalah demonstrasi akses cepat ke jarak lensa gravitasi matahari (SGL) (>550AU). Penelitian yang diberi nama Wind Rider Pathfinder Mission menunjukkan wilayah SGL dapat diakses dalam waktu kurang dari 7 tahun sejak peluncuran menggunakan teknologi ini. Misi terobosan ini akan memberikan validasi bahwa tenaga penggerak yang berarti dapat diekstraksi dari angin matahari, memberikan landasan bagi konsep yang lebih maju dalam mengekstraksi tenaga listrik dari angin untuk menghasilkan gaya angkat.

Mengirimkan teleskop ke lensa gravitasi matahari akan meningkatkan kemampuan visualisasi teleskop miliaran kali lipat karena teleskop tersebut akan melihat cahaya yang terfokus pada matahari yang lebarnya hampir juta mil. teleskop lensa gravitasi matahari. Pada panjang gelombang optik atau dekat optik, amplifikasi cahaya mencapai 200 miliar kali lipat dan dengan resolusi sudut yang sama mengesankannya. Jika kita dapat mencapai wilayah ini mulai dari jarak 550 AU dari Matahari, kita dapat melakukan pencitraan langsung terhadap eksoplanet. Misi pencitraan memang menantang namun dapat dilaksanakan, dengan menggunakan teknologi yang sudah tersedia atau sedang dalam pengembangan aktif. Dalam kondisi realistis, pencitraan megapiksel dari planet ekstrasurya mirip Bumi di lingkungan galaksi kita hanya memerlukan waktu integrasi berminggu-minggu atau berbulan-bulan, bukan bertahun-tahun seperti yang diperkirakan sebelumnya.

Tim tersebut telah menyelidiki pengiriman teleskop satu meter sekitar dua puluh kali lebih jauh dari Pluto untuk menggunakan gravitasi matahari yang membelokkan cahaya. Matahari memiliki lebar 865000 mil atau 109 kali lebih lebar dari bumi. Gravitasi memungkinkan Anda memanfaatkan matahari sebagai pengumpul cahaya raksasa. Kita bisa menempuh jarak 3 hari cahaya dari Bumi dan memotret planet-planet di tata surya lain. Ini seperti kita mengirim wahana ke tata surya lain.

Jika metode ini berhasil, kita bisa menjelajahi tata surya lain pada tahun 2030an.

Pendekatan ini dibangun berdasarkan konsep penggerak propulsif yang ditenagai oleh tekanan dinamis eksternal [yang disebut q-drive (Greason, 2019)], namun dalam konsep ini, tidak ada massa reaksi di dalam kapal yang digunakan. Dengan menggunakan pembangkit listrik eksternal untuk mempercepat materi yang tersedia dalam angin matahari yang tegak lurus terhadap aliran di atas kendaraan, gaya angkat yang dihasilkan lebih besar daripada gaya hambat yang dihasilkan oleh proses ekstraksi daya. Hasilnya adalah sejenis sayap yang menghasilkan gaya angkat, tetapi tanpa struktur fisik. Pada Bagian 2, prinsip pengoperasian mekanisme pembangkit gaya angkat ini dikembangkan secara rinci. Pada Bagian 3, konsep misi potensial dikembangkan dengan memanfaatkan daerah dengan pergeseran angin tinggi yang ada di Tata Surya, yaitu antarmuka antara angin matahari cepat (kutub) dan angin matahari lambat (khatulistiwa) serta guncangan terminasi di mana angin matahari berubah dari supersonik ke supersonik. aliran subsonik, untuk mencapai kecepatan ≈2% c.

Beberapa struktur di Tata Surya menawarkan gradien angin yang cukup besar untuk melakukan manuver melonjak dinamis guna mengekstraksi energi. Struktur tersebut termasuk namun tidak terbatas pada: guncangan terminasi, heliopause, angin matahari yang lambat dan cepat, serta batas magnetosfer planet. Meskipun kepadatan struktur ini bervariasi, analisis perangkat tarik seperti magnet plasma menunjukkan bahwa tingkat magnetosfer yang dihasilkan secara artifisial di sekitar kendaraan secara alami meluas seiring dengan menurunnya kepadatan di sekitarnya. Secara khusus, struktur magnet di sekitar pesawat ruang angkasa akan mengembang hingga tekanan magnetnya sesuai dengan tekanan dinamis angin matahari. Efek ini membuat perangkat seperti magnet plasma mengalami hambatan yang hampir konstan saat bergerak menjauhi Matahari. Untuk keperluan analisis dalam makalah ini, kami telah mengadopsi nilai konstanta gaya hambat dan, karena daya angkat yang dihasilkan berasal dari gerakan alat tarik melalui plasma, nilai gaya angkat juga konstan.

Kendaraan (atau burung) melakukan tumbukan elastis ketika memasuki aliran udara yang bergerak melalui manuver perbankan tarikan rendah. Saat kendaraan memasuki kembali udara tenang, kecepatan aliran angin menjadi dua kali lipat. Saat kemudian berada di udara yang tenang, kendaraan dapat memasuki kembali aliran angin dan meningkatkan kecepatannya lagi, mengulangi manuver tersebut berulang-ulang hingga kehilangan gaya hambat mengimbangi peningkatan kecepatan dan kecepatan maksimum tercapai. Baru-baru ini, para penggemar pesawat layang yang dikendalikan dari jarak jauh telah mencapai kecepatan luar biasa yang melebihi 850 km/jam—kira-kira 10 kali kecepatan angin—dengan menerapkan teknik ini pada pesawat layang yang tidak memiliki tenaga penggerak di dalamnya.

Pesawat ruang angkasa dapat berinteraksi dengan aliran gas terionisasi di ruang angkasa (angin matahari atau medium antarbintang) untuk dipercepat hingga kecepatan lebih besar dari kecepatan aliran. Terinspirasi oleh manuver terbang dinamis yang dilakukan oleh burung laut dan pesawat layang di mana perbedaan kecepatan angin dimanfaatkan untuk mendapatkan kecepatan, dalam teknik yang diusulkan, pesawat ruang angkasa yang menghasilkan gaya angkat berputar di antara wilayah heliosfer yang memiliki kecepatan angin berbeda, memperoleh energi dalam proses tersebut. tanpa menggunakan propelan dan hanya membutuhkan sedikit daya di dalam pesawat.

Dalam analisis yang paling sederhana, gerak pesawat ruang angkasa dapat dimodelkan sebagai rangkaian tumbukan elastis antar daerah medium yang bergerak dengan kecepatan berbeda. Model lintasan pesawat ruang angkasa yang lebih rinci dikembangkan untuk memprediksi potensi peningkatan kecepatan dan kecepatan maksimum yang dapat dicapai dalam kaitannya dengan rasio lift-to-drag kendaraan. Mekanisme pembangkit gaya angkat diusulkan di mana daya diekstraksi dari aliran di atas kendaraan dalam arah penerbangan dan kemudian digunakan untuk mempercepat media di sekitarnya dalam arah melintang, menghasilkan gaya angkat (yaitu gaya yang tegak lurus terhadap aliran). Nilai rasio lift-to-drag yang besar terbukti mungkin terjadi dalam kasus di mana kecepatan transversal yang kecil diberikan pada area interaksi yang luas. Persyaratan untuk area interaksi yang besar dalam kepadatan heliosfer yang sangat rendah menghalangi penggunaan sayap fisik, namun penggunaan gelombang plasma yang dihasilkan oleh antena terarah yang kompak untuk memberikan momentum pada media sekitarnya dapat dilakukan, dengan eksitasi sebesar Gelombang R, gelombang X, gelombang Alfven, dan gelombang magnetosonik muncul sebagai kandidat yang menjanjikan. Misi konseptual didefinisikan di mana lompatan dinamis dilakukan pada guncangan terminasi heliosfer, memungkinkan pesawat ruang angkasa mencapai kecepatan mendekati 2% c dalam waktu dua setengah tahun setelah peluncuran tanpa mengeluarkan bahan bakar propelan. Teknik ini mungkin merupakan tahap pertama dari misi multitahap untuk mencapai penerbangan antarbintang ke tata surya lain.

Layar tenaga surya adalah contoh pertama dari teknologi penggerak yang memanfaatkan foton yang tersedia secara bebas yang berasal dari Matahari, namun bahkan pelayaran tenaga surya yang paling ekstrem pun—diluncurkan dari dekat Matahari menggunakan bahan bersuhu tertinggi dengan kepadatan areal terendah (misalnya, aerographite)— hanya akan mampu mencapai 2% dari c (Heller et al., 2020); layar surya yang lebih konvensional dibatasi kurang dari 0.5% c (Davoyan et al., 2021). Baru-baru ini, Lingam dan Loeb (Lingam dan Loeb, 2020) telah memeriksa objek astrofisika (misalnya bintang masif, supernova, dll.) yang memungkinkan layar cahaya yang didorong radiasi mencapai kecepatan 10% c atau lebih besar, namun hal ini tetap saja terjadi. menyisakan persoalan bagaimana teknologi manusia yang berasal dari Tata Surya bisa mencapai penerbangan antarbintang.