מגנטים פלזמה המשתמשים ברחיפה דינמית כדי לעבור 2% ממהירות האור

קיימים מספר מושגים לניצול רוח השמש כאמצעי הנעה: MagSail, e-sail ומגנט פלזמה. כל המושגים הללו פועלים בעיקר כמכשירי גרירה ולכן הם מוגבלים למהירויות שוות לרוח השמש (~700 קמ"ש), עם יכולת מוגבלת בלבד ליצור כוח רוחבי לכיוון המקומי של רוח השמש (כלומר, עילוי). אפשרות מעניינת שיש לחקור היא דאיה דינמית: ניצול ההבדל במהירות הרוח בשני אזורים שונים בחלל. ידוע שאלבטרוסים ומטוסי מפרש משתמשים בטכניקה זו, כשהם מסתובבים פנימה ומחוץ לאזורים של גזירת רוח. Birch (JBIS, 1989) הציע שניתן להשתמש בטכניקה כזו באמצעות "כנף MHD" עבור יישומי נסיעה בין כוכבים, אך לא חקר את הרעיון עוד יותר.

חללית עם אנטנת גל פלזמה כיוונית המעניקה מומנטום על המדיום הבין-כוכבי או הבין-כוכבי המקומי, ויוצרת כוח על האנטנה (הרמה). תמרוני דאייה דינמיים חוזרים נעשים כדי להפיק אנרגיה ולהשיג כפולות של מהירות הרוח הסולארית כדי להגיע למהירויות הגבוהות עד פי עשרה מהמהירות המרבית של רוח השמש ולהגיע לכ-2% ממהירות האור.

פיתוח הרעיון של אינטראקציה עם רוח השמש כאמצעי הנעה ידרוש אימות ניסיוני בשלבים, כאשר הראשון שבהם יהיה הדגמה של גרר משמעותי נגד רוח השמש באמצעות מבנה מגנטי להנעה. נראה כי מגנט הפלזמה הוא בעל הביצועים הגבוהים ביותר מבחינת האצות של מושגי הגרירה שנסקרו במבוא, כך שהדגמה של טכנולוגיית מגנט פלזמה תיראה כשלב ההגיוני הבא. מחקר שנערך לאחרונה הציע קונספט קטן, 16U קוביות מדגימה, המכונה ניסוי מהירות תצפית צדק (JOVE) שיכול לעבור את מסלולו של צדק רק 6 חודשים לאחר השיגור מכדור הארץ. יישום נוסף של טכנולוגיית מגנט פלזמה רוכב הרוח יהיה הדגמה של גישה מהירה למרחק עדשת הכבידה הסולארית (SGL) (>550AU). המחקר, שנקרא Wind Rider Pathfinder Mission, הראה שניתן לגשת לאזור SGL תוך פחות מ-7 שנים מהשקה באמצעות טכנולוגיה זו. משימות פורצות דרך אלו יספקו אישור לכך שניתן להפיק כוח הנעה משמעותי מהרוח הסולארית, מה שיספק בסיס לתפיסה המתקדמת יותר של הפקת כוח חשמלי מהרוח לצורך ייצור מעליות.

שליחת טלסקופים לעדשת הכבידה הסולארית תגביר את יכולות ההדמיה של טלסקופ מיליארדי פעמים מכיוון שהוא יביט באור הממוקד על ידי השמש ברוחב כמעט מיליון מייל. טלסקופ עדשות כבידה סולאריות. באורכי גל אופטיים או כמעט אופטיים, הגברה של האור היא בסדר גודל של פי 200 מיליארד ועם רזולוציה זוויתית מרשימה לא פחות. אם נוכל להגיע לאזור זה החל מ-550 AU מהשמש, נוכל לבצע הדמיה ישירה של כוכבי לכת חיצוניים. משימת הדמיה היא מאתגרת אך אפשרית, תוך שימוש בטכנולוגיות שכבר זמינות או בפיתוח פעיל. בתנאים מציאותיים, הדמיית מגה-פיקסל של כוכבי לכת דמויי כדור הארץ בשכונה הגלקטית שלנו דורשת רק שבועות או חודשים של זמן אינטגרציה, לא שנים כפי שחשבו קודם לכן.

הצוות חקר שליחת טלסקופים של מטר אחד החוצה כעשרים פעמים יותר מפלוטו כדי להשתמש בכוח המשיכה של אור השמש המתכופף. רוחבה של השמש היא 865000 מיילים, שהם פי 109 מכדור הארץ. כוח המשיכה מאפשר לך למנף את השמש כקולט אור ענק. אנו יכולים להתרחק 3 ימי אור מכדור הארץ ולדמות כוכבי לכת במערכות שמש אחרות. זה יהיה כאילו ששלחנו בדיקה למערכת השמש האחרת.

אם השיטה הזו עובדת, נוכל לחקור מערכות סולאריות אחרות בשנות ה-2030.

גישה זו מתבססת על הרעיון של כונן הנעה המופעל על ידי לחץ דינמי חיצוני [מה שנקרא כונן q (Greason, 2019)], אולם, בתפיסה הנוכחית, לא נעשה שימוש במסת תגובה מובנית. על ידי שימוש בייצור החשמל החיצוני כדי להאיץ חומר זמין ברוח השמש בניצב לזרימה על גבי הרכב, נוצרת עילוי בגודל גדול יותר מהגרר שנוצר בתהליך מיצוי הכוח. התוצאה היא סוג של כנף יוצרת עילוי, אך ללא מבנה פיזי. בסעיף 2, עקרונות הפעולה של מנגנון יצירת עילוי זה פותחו בפירוט. בסעיף 3, מושגי משימה פוטנציאליים מפותחים תוך שימוש באזורים של גזירת רוח גבוהה הזמינים במערכת השמש, כלומר, הממשק בין רוח השמש המהירה (קוטבית) והאיטית (המשוונית) לבין הלם הסיום שבו רוח השמש חוזרת מרוח על-קולית לרוח השמש. זרימה תת-קולית, להגיע למהירויות של ≈2% מ-c.

מספר מבנים במערכת השמש מציעים שיפועי רוח גדולים מספיק לתמרוני דאייה דינמיים להפקת אנרגיה. מבנים כאלה כוללים בין היתר: הלם הסיום, ההליופוזה, רוח השמש האיטית והמהירה והגבול של המגנטוספירה הפלנטרית. בעוד שהצפיפות של מבנים אלה משתנה, ניתוח של התקני גרירה כגון מגנט הפלזמה הראה שהיקף המגנטוספירה שנוצרה באופן מלאכותי סביב הרכב מתרחב באופן טבעי ככל שהצפיפות הסובבת פוחתת. באופן ספציפי, המבנה המגנטי סביב החללית יתרחב עד שהלחץ המגנטי יתאים ללחץ הדינמי של רוח השמש. אפקט זה גורם למכשירים כמו מגנט הפלזמה לגרור כמעט קבוע כשהם נעים החוצה מהשמש. למטרות הניתוח במאמר זה, אימצנו ערכים קבועים של גרר, ומכיוון שכוח ההרמה שנוצר נובע מתנועת התקן הגרירה דרך הפלזמה, גם ערכי עילוי קבועים.

רכב (או ציפור) מבצע התנגשות אלסטית כאשר הוא נכנס לזרם האוויר הנע באמצעות תמרון בנקאי עם גרור נמוך. ככל שהרכב נכנס שוב לאוויר השקט, הוא צבר מהירות כפולה מזו של זרם הרוח. לאחר מכן, בנקישה באוויר השקט, הרכב יכול להיכנס שוב לזרם הרוח ולהגביר את מהירותו שוב, ולחזור על התמרון שוב ושוב עד שהפסדי גרר מנוגדים את עליות המהירות והושגת מהירות מקסימלית. לאחרונה, חובבי רחפנים בשלט רחוק השיגו מהירויות יוצאות דופן העולה על 850 קמ"ש - פי 10 בערך ממהירות הרוח - על ידי שימוש בטכניקה זו עם דאונים שאין להם הנעה על הסיפון.

חללית יכולה לקיים אינטראקציה עם זרימות של גז מיונן בחלל (רוח השמש או המדיום הבין-כוכבי) כדי להיות מואצת למהירויות הגדולות ממהירות הזרימה. בהשראת תמרוני הדאייה הדינמיים המבוצעים על ידי ציפורי ים ורחפנים, בהם מנוצלים הבדלי מהירות הרוח כדי להשיג מהירות, בטכניקה המוצעת חללית יוצרת עילוי מעגלת בין אזורי ההליוספירה בעלי מהירויות רוח שונות, תוך שהיא צוברת אנרגיה. ללא שימוש בחומר הנעה ודרישות כוח צנועות בלבד.

בניתוח הפשוט ביותר, ניתן לעצב את תנועת החללית כסדרה של התנגשויות אלסטיות בין אזורים של המדיום הנעים במהירויות שונות. מודלים מפורטים יותר של מסלול החללית פותחו כדי לחזות את עליות המהירות הפוטנציאלית ואת המהירות המקסימלית שניתן להשיג במונחים של יחס הרמה לגרירה של הרכב. מוצע מנגנון יצירת עילוי שבו מופק כוח מהזרימה על הרכב בכיוון הטיסה ולאחר מכן משמש להאצת המדיום הסובב בכיוון הרוחבי, יצירת עילוי (כלומר כוח מאונך לזרימה). ערכים גדולים של יחס הרמה לגרירה מוצגים כאפשריים במקרה שבו ניתנת מהירות רוחבית קטנה על פני שטח גדול של אינטראקציה. הדרישה לאזור אינטראקציה גדול בצפיפות הנמוכה ביותר של ההליוספירה מונעת שימוש בכנף פיזית, אך השימוש בגלי פלזמה הנוצרים על ידי אנטנה קומפקטית וכיוונית כדי להקנות מומנטום על המדיום שמסביב הוא אפשרי, עם עירור של גלי R, גלי X, גלי Alfven וגלים מגנטוסוניים מופיעים כמועמדים מבטיחים. מוגדרת משימה רעיונית שבה מבוצעת דאייה דינמית על הלם הסיום של ההליוספירה, המאפשרת לחללית להגיע למהירויות המתקרבות ל-2% מ-c תוך שנתיים וחצי מהשיגור ללא הוצאה של חומר הנעה. הטכניקה עשויה להוות את השלב הראשון למשימה רב-שלבית להשגת טיסה בין-כוכבית אמיתית למערכות שמש אחרות.

מפרשי שמש הם הדוגמה הראשונה לטכנולוגיית הנעה המנצלת את הפוטונים הזמינים בחופשיות הנובעים מהשמש, אבל אפילו השיט הסולארי הקיצוני ביותר - משוגר מקרבת השמש תוך שימוש בחומרים בטמפרטורה הגבוהה ביותר עם צפיפות השטח הנמוכה ביותר (למשל, אירוגרפיט) ​​- יהיה מסוגל להשיג רק 2% מ-c (Heller et al., 2020); מפרשים סולאריים קונבנציונליים יותר מוגבלים לפחות מ-0.5% מ-c (Davoyan et al., 2021). לאחרונה, לינגם ולוב (Lingam and Loeb, 2020) בחנו עצמים אסטרופיזיקליים (למשל, כוכבים מסיביים, סופרנובות וכו') שיאפשרו למפרש אור נדחף קרינה להגיע למהירויות של 10% מ-c ומעלה, אך זה עדיין משאיר את הבעיה כיצד טכנולוגיה אנושית שמקורה ממערכת השמש יכולה להשיג טיסה בין כוכבית.