Plasmamagneten die dynamisch stijgen gebruiken om 2% van de lichtsnelheid te bereiken

Er bestaan ​​een aantal concepten om de zonnewind als voortstuwingsmiddel te benutten: de MagSail, het e-sail en de plasmamagneet. Al deze concepten werken voornamelijk als weerstandsmechanismen en zijn dus beperkt tot snelheden gelijk aan de zonnewind (~700 km/s), met slechts een beperkt vermogen om kracht te genereren die dwars staat op de lokale richting van de zonnewind (dat wil zeggen lift). Een interessante mogelijkheid om te onderzoeken is dynamisch stijgen: het benutten van het verschil in windsnelheid in twee verschillende delen van de ruimte. Het is bekend dat albatrossen en zweefvliegtuigen deze techniek gebruiken, waarbij ze in en uit gebieden met windschering cirkelen. Birch (JBIS, 1989) suggereerde dat een dergelijke techniek via een “MHD Wing” zou kunnen worden gebruikt voor interstellaire reistoepassingen, maar onderzocht het concept niet verder.

Een ruimtevaartuig met een gerichte plasmagolfantenne die momentum geeft aan het lokale interplanetaire of interstellaire medium, waardoor een kracht op de antenne wordt gegenereerd (lift). Er worden herhaalde dynamische zweefmanoeuvres gemaakt om energie te onttrekken en veelvouden van de snelheid van de zonnewind te verkrijgen om snelheden te bereiken die tot tien keer hoger zijn dan de maximale snelheid van de zonnewind en ongeveer 2% van de lichtsnelheid te bereiken.

De ontwikkeling van het concept van interactie met de zonnewind als voortstuwingsmiddel zal experimentele validatie in fasen vereisen, waarvan de eerste het aantonen van aanzienlijke weerstand tegen de zonnewind zou zijn met behulp van een magnetische structuur voor voortstuwing. De plasmamagneet lijkt het best te presteren in termen van versnellingen van de weerstandsconcepten die in de inleiding zijn besproken, dus een demonstratie van de plasmamagneettechnologie lijkt de volgende logische stap. Een recente studie heeft een klein 16U cubesat-demonstratorconcept voorgesteld, genaamd Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE), dat slechts zes maanden na de lancering vanaf de aarde de baan van Jupiter zou kunnen passeren. Een andere toepassing van de door de wind meereizende plasmamagneettechnologie zou een demonstratie zijn van snelle toegang tot de afstand van de zonnegravitatielens (SGL) (>6AU). Het onderzoek, genaamd Wind Rider Pathfinder Mission, heeft aangetoond dat de SGL-regio met behulp van deze technologie binnen zeven jaar na de lancering kan worden bereikt. Deze baanbrekende missies zouden de bevestiging bieden dat betekenisvolle voortstuwingsenergie uit de zonnewind kan worden gewonnen, en een basis vormen voor het meer geavanceerde concept van het winnen van elektrische energie uit de wind voor het opwekken van liften.

Het sturen van telescopen naar de zwaartekrachtlens van de zon zou de visualisatiemogelijkheden van een telescoop miljarden keren vergroten, omdat deze zou kijken naar licht dat wordt gefocust door de bijna miljoen kilometer brede zon. een telescoop met zwaartekrachtlens op zonne-energie. Bij optische of bijna-optische golflengten ligt de versterking van licht in de orde van 200 miljard keer en met een even indrukwekkende hoekresolutie. Als we dit gebied kunnen bereiken vanaf 550 AU van de zon, kunnen we directe beeldvorming van exoplaneten uitvoeren. Een beeldvormingsmissie is uitdagend maar haalbaar, waarbij gebruik wordt gemaakt van technologieën die al beschikbaar zijn of in actieve ontwikkeling zijn. Onder realistische omstandigheden vergt megapixelbeeldvorming van aardachtige exoplaneten in onze galactische omgeving slechts weken of maanden integratietijd, en niet jaren zoals eerder werd gedacht.

Het team heeft onderzoek gedaan door telescopen van één meter ongeveer twintig keer verder uit te zenden dan Pluto om de zwaartekracht van het zonbuigende licht te gebruiken. De zon is 865000 kilometer breed, wat 109 keer breder is dan de aarde. Dankzij de zwaartekracht kun je de zon gebruiken als een gigantische lichtcollector. We kunnen 3 lichtdagen verwijderd zijn van de aarde en planeten in andere zonnestelsels in beeld brengen. Het zou zijn alsof we een sonde naar het andere zonnestelsel stuurden.

Als deze methode werkt, zouden we in de jaren 2030 andere zonnestelsels kunnen verkennen.

Deze aanpak bouwt voort op het concept van een voortstuwingsaandrijving die wordt aangedreven door externe dynamische druk [de zogenaamde q-drive (Greason, 2019)], maar in het huidige concept wordt geen reactiemassa aan boord gebruikt. Door de externe energieopwekking te gebruiken om de materie die beschikbaar is in de zonnewind loodrecht op de stroming over het voertuig te versnellen, wordt lift gegenereerd die groter is in omvang dan de weerstand die wordt gegenereerd door het energiewinningsproces. Het resultaat is een soort liftgenererende vleugel, maar zonder fysieke structuur. In deel 2 worden de werkingsprincipes van dit liftgenererende mechanisme in detail ontwikkeld. In Hoofdstuk 3 worden potentiële missieconcepten ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van gebieden met hoge windschering die beschikbaar zijn in het zonnestelsel, namelijk het grensvlak tussen de snelle (polaire) en langzame (equatoriale) zonnewind en de eindschok waarbij de zonnewind terugkeert van supersonische naar subsonische stroming, om snelheden van ≈2% van c te bereiken.

Verschillende structuren in het zonnestelsel bieden windgradiënten die groot genoeg zijn voor dynamische zweefmanoeuvres om energie te onttrekken. Dergelijke structuren omvatten, maar zijn niet beperkt tot: de beëindigingsschok, de heliopauze, de langzame en snelle zonnewind en de grens van de planetaire magnetosfeer. Hoewel de dichtheid van deze structuren varieert, heeft analyse van weerstandsapparaten zoals de plasmamagneet aangetoond dat de omvang van de kunstmatig gegenereerde magnetosfeer rond het voertuig op natuurlijke wijze uitzet naarmate de omringende dichtheid afneemt. Concreet zal de magnetische structuur rond het ruimtevaartuig uitzetten totdat de magnetische druk overeenkomt met de dynamische druk van de zonnewind. Dit effect zorgt ervoor dat apparaten zoals de plasmamagneet een vrijwel constante weerstand hebben wanneer ze zich van de zon af bewegen. Voor de doeleinden van de analyse in dit artikel hebben we constante waarden van de weerstand aangenomen en, aangezien het gegenereerde liftvermogen voortkomt uit de beweging van het weerstandsapparaat door het plasma, ook constante waarden van de lift.

Een voertuig (of vogel) voert een elastische botsing uit wanneer hij de bewegende luchtstroom binnengaat via een manoeuvre met lage weerstand. Wanneer het voertuig opnieuw de rustige lucht binnengaat, heeft het tweemaal de snelheid van de windstroom gewonnen. Door vervolgens in de rustige lucht te gaan hangen, kan het voertuig opnieuw in de windstroom terechtkomen en zijn snelheid weer verhogen, waarbij de manoeuvre keer op keer wordt herhaald totdat weerstandsverliezen de snelheidswinsten tegenwerken en een maximale snelheid wordt bereikt. Onlangs hebben liefhebbers van op afstand bediende zweefvliegtuigen opmerkelijke snelheden bereikt van meer dan 850 km/uur (ongeveer 10 keer de snelheid van de wind) door deze techniek toe te passen bij zweefvliegtuigen die geen voortstuwing aan boord hebben.

Een ruimtevaartuig kan interageren met stromen geïoniseerd gas in de ruimte (de zonnewind of het interstellaire medium) om te worden versneld tot snelheden die groter zijn dan de stroomsnelheid. Geïnspireerd door de dynamische zweefmanoeuvres uitgevoerd door zeevogels en zweefvliegtuigen waarbij verschillen in windsnelheid worden uitgebuit om snelheid te winnen, cirkelt in de voorgestelde techniek een liftgenererend ruimtevaartuig tussen gebieden van de heliosfeer met verschillende windsnelheden, waarbij energie wordt gewonnen. zonder het gebruik van drijfgas en slechts bescheiden stroomvereisten aan boord.

In de eenvoudigste analyse kan de beweging van het ruimtevaartuig worden gemodelleerd als een reeks elastische botsingen tussen gebieden van het medium die met verschillende snelheden bewegen. Er worden meer gedetailleerde modellen van het traject van het ruimtevaartuig ontwikkeld om de potentiële snelheidswinst en de maximale snelheid te voorspellen die kan worden bereikt in termen van de lift-to-drag-verhouding van het voertuig. Er wordt een liftgenererend mechanisme voorgesteld waarbij kracht wordt onttrokken aan de stroming over het voertuig in de vliegrichting en vervolgens wordt gebruikt om het omringende medium in de dwarsrichting te versnellen, waardoor lift wordt gegenereerd (dat wil zeggen een kracht loodrecht op de stroming). Er is aangetoond dat grote waarden van de lift-weerstandsverhouding mogelijk zijn in het geval waarin een kleine dwarssnelheid wordt uitgeoefend over een groot interactiegebied. De eis van een groot interactiegebied in de extreem lage dichtheid van de heliosfeer sluit het gebruik van een fysieke vleugel uit, maar het gebruik van plasmagolven gegenereerd door een compacte, richtantenne om momentum te geven aan het omringende medium is haalbaar, met de excitatie van R-golven, X-golven, Alfven-golven en magnetosonische golven verschijnen als veelbelovende kandidaten. Er wordt een conceptuele missie gedefinieerd waarbij dynamisch stijgen wordt uitgevoerd op de eindschok van de heliosfeer, waardoor een ruimtevaartuig snelheden kan bereiken die 2% van c benaderen binnen twee en een half jaar na de lancering zonder de kosten van drijfgas. De techniek kan de eerste fase vormen van een meertrapsmissie om een ​​echte interstellaire vlucht naar andere zonnestelsels te realiseren.

Zonnezeilen zijn het eerste voorbeeld van een voortstuwingstechnologie die gebruik maakt van de vrij beschikbare fotonen die afkomstig zijn van de zon, maar zelfs de meest extreme zonnezeilen – gelanceerd van dichtbij de zon met behulp van materialen met de hoogste temperatuur en de laagste oppervlaktedichtheid (bijvoorbeeld aerografiet) – zou slechts 2% van c kunnen bereiken (Heller et al., 2020); meer conventionele zonnezeilen zijn beperkt tot minder dan 0.5% van c (Davoyan et al., 2021). Onlangs hebben Lingam en Loeb (Lingam en Loeb, 2020) astrofysische objecten onderzocht (bijvoorbeeld massieve sterren, supernova's, enz.) waarmee een door straling geduwd lichtzeil snelheden van 10% van c of meer zou kunnen bereiken, maar dit is nog steeds het geval. Laat het probleem achter hoe menselijke technologie afkomstig uit het zonnestelsel interstellaire vluchten kan bewerkstelligen.