Wind Pellet Shear Sailing - Onderdelen van een systeem waarmee ruimtevaartuigen 25% van de lichtsnelheid kunnen bereiken

Jeff Greason beschrijft hoe je van 2% van de lichtsnelheid kunt gaan met behulp van dynamische zonnewind en vervolgens pellets kunt gebruiken die door de zon worden voortgestuwd, om van 2-6% van de lichtsnelheid te gaan met behulp van bestaande kortetermijntechnologie. Bij 6% van de lichtsnelheid hebben de deeltjes in het interstellaire medium een ​​wisselwerking met het ruimtevaartuig, net zoals energie op het niveau van kernfusie. De energie met hoge intensiteit wordt opgenomen en gebruikt om de voortstuwing aan te drijven om 25% van de lichtsnelheid te bereiken. De plasmamagneet die wordt gebruikt tijdens de dynamische fase van de zonnewind, wordt gebruikt om op de doelster af te remmen.

Dit zijn slimme manieren om relatief kortetermijntechnologieën te gebruiken om 25% van de lichtsnelheid te bereiken met sondes en mogelijk zelfs bemande ruimtevaartuigen. De methoden om in twee jaar tijd 2% van de lichtsnelheid te bereiken, zijn alles wat nodig is om binnen het zonnestelsel te reizen en zelfs tot aan de zwaartekrachtlenspunten te komen, beginnend ongeveer een dozijn keer verder dan Pluto. Als we naar de gebieden met zwaartekrachtlenzen gaan, laat een kleine telescoop de zon als lens gebruiken om 2 miljard keer krachtiger te worden. We kunnen alle zonnestelsels binnen duizenden lichtjaren vooraf verkennen met miljoenen ruimtetelescopen. Vervolgens kiezen we ervoor om daadwerkelijke sondes naar de beste zonnestelsels te sturen, die we al zijn gaan verkennen met observatoria die naar uitkijkpunten op drie lichtdagen rond de zon zijn gestuurd.

Het op betaalbare wijze verkrijgen van de kinetische energie die nodig is voor interstellaire vluchten is moeilijk en het aanboren van bestaande natuurlijke energiebronnen zoals de zonnewind is aantrekkelijk om de kosten te verlagen. Er bestaat echter een leemte in de gepubliceerde concepten, in die zin dat zonnewindsnelheden beperkt zijn tot ~700 km/s, terwijl zelfs met concepten als de door wind aangedreven reactieaandrijving ('q'-drive) snelheden van ~5% van de windsnelheid kunnen bereiken. c moet worden bereikt voordat ze het kunnen overnemen. Een kosteneffectieve manier om die leemte op te vullen, ontbrak.

Aerografiet puffballs kunnen in de buurt van de zon worden losgelaten en versnellen tot ongeveer 5% van de lichtsnelheid. Aerografiet is ultradun schuim en is 15,000 keer lichter dan aluminium.

Doelstelling – Een methode demonstreren waarmee inerte pellets, versneld door de zonnewind, kunnen worden gebruikt om een ​​ruimtevaartuig te versnellen van zonnewindsnelheden tot ~5% van c.

Methoden: Klassieke natuurkundige berekeningen ter ondersteuning van de basisfysica en haalbaarheid van de aanpak.

Resultaten: Wanneer twee materiestromen dicht bij elkaar zijn maar met verschillende snelheden, of wanneer ze door dezelfde ruimte bewegen maar met verschillende snelheden en onderscheidbare eigenschappen, kan het verschil in snelheden, of snelheidsafschuiving, worden gebruikt om voortstuwende energie te verkrijgen. Een stroom pellets die door het interstellaire medium beweegt, is een voorbeeld van zo'n geval. Aandrijving door pellets is een idee dat in de stand van de techniek is onderzocht en waarvoor pellets met hoge snelheid nodig zijn; Door nuttig werk te onttrekken aan het snelheidsverschil tussen de pellets en het interstellaire medium kan een schip over de pellets heen varen en ook energie onttrekken aan de passage door het interstellaire medium om voortstuwingsenergie te verkrijgen, zelfs wanneer deze sneller is dan de pellets en zelfs wanneer de pellets zijn samengesteld uit inerte reactiemassa. De basisfysica hiervan wordt besproken, evenals de prestatievergelijkingen, en dit in de context van het gebruik van relatief langzame pellets (versneld door zonnewind), om een ​​ruimtevaartuig naar een substantieel veelvoud van de zonnewindsnelheid te sturen. Een ander geval waarin kleine macrodeeltjes en een plasmawind verschillende snelheden hebben, is het binnenste zonnestelsel in het vlak van de ecliptica, waar de zonnewind en het dierenriemstof verschillende snelheidsverdelingen hebben; dit kan verdere toepassingen van hetzelfde principe bieden.

Arxiv – Goedkope voorloper van een interstellaire missie

De zonnefotonendruk vormt een levensvatbare bron van stuwkracht voor ruimtevaartuigen in het zonnestelsel. Theoretisch zou het ook interstellaire missies mogelijk kunnen maken, maar er is een extreem kleine massa per dwarsdoorsnede nodig om de zwaartekracht van de zon te overwinnen. We identificeren aerografiet, een synthetisch schuim op koolstofbasis met een dichtheid van 0.18 kg m−3 (15,000 keer lichter dan aluminium) als een veelzijdig materiaal voor zeer efficiënte voortstuwing met zonlicht. Een holle aerografietbol met een schaaldikte van shl = 1 mm zou interstellair kunnen worden als hij wordt blootgesteld aan zonnestraling in de interplanetaire ruimte. Bij lancering op 1 AU vanaf de zon arriveert een aerografietgranaat met shl = 0.5 mm in 60 dagen in de baan van Mars en in 4.3 jaar in de baan van Pluto. Het vrijgeven van een holle bol van aerografiet, waarvan de schaal 1 µm dik is, bij 0.04 AU (de dichtste nadering van de Parker Solar Probe) resulteert in een ontsnappingssnelheid van bijna 6900 km s−1 en 185 jaar reizen naar de afstand van onze dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri. De infraroodsignatuur van een aerografietenzeil van een meter groot kon met JWST tot op 2 AU van de zon worden waargenomen, voorbij de baan van Mars. Een holle bol van aerografiet, waarvan de schaal 100 µm dik is, met een straal van 1 m (5 m), weegt 230 mg (5.7 g) en heeft een massamarge van 2.2 g (55 g) om interstellaire ontsnapping mogelijk te maken. De ladingsmarge is tien keer de massa van het ruimtevaartuig, terwijl de lading op chemische interstellaire raketten doorgaans een duizendste van het gewicht van de raket bedraagt. Als 1 g (10 g) van deze marge wordt gebruikt (bijvoorbeeld voor miniatuurcommunicatietechnologie met de aarde), zou het de baan van Pluto 4.7 jaar (2.8 jaar) na de interplanetaire lancering op 1 AU bereiken. Simplistische communicatie zou studies van het interplanetaire medium en een zoektocht naar de vermoedelijke Planeet Negen mogelijk maken, en zou dienen als een voorloper van αCentauri. We schatten de ontwikkelingskosten van prototypen op 1 miljoen USD, een prijs van 1000 USD per zeil en een totaal van < 10 miljoen USD inclusief lancering van een piggyback-concept met een interplanetaire missie.

Een technologie ontwikkeld onder sponsoring van het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), de Plasma Magnet, biedt een pad naar manoeuvres met hoge versnelling in de zonnewind, inclusief snelle doorgangen naar buitenplaneten en naar de Solar Gravitational Lens.

De AIAA Nuclear and Future Flight Propulsion Technical Committee heeft een conceptueel ontwerponderzoek gesponsord van een demonstratormissie, JOVE. Als JOVE zou vliegen, zou het de kritische vluchtdemonstratie van deze technologie verzorgen. Het op zonne-energie aangedreven ruimtevaartuig zou ongeveer 25 kilogram wegen en binnen drie weken Jupiter bereiken met een verbazingwekkende snelheid van 300 kilometer per seconde. De heer Greason besprak de belangrijkste ontwerpuitdagingen die tijdens het conceptuele ontwerp aan het licht kwamen, beoordeelde de huidige stand van zaken en besprak mogelijke volgende stappen.

Jeff Greason is een ondernemer en innovator met 25 jaar ervaring in de commerciële ruimtevaartindustrie. Hij is de hoofdtechnoloog van Electric Sky en ontwikkelt draadloze langeafstandsenergie voor voortstuwing en andere doeleinden; en voorzitter van de Tau Zero Foundation, die geavanceerde voortstuwingstechnologieën ontwikkelt voor missies in het zonnestelsel en interstellaire missies. Hij is actief geweest in de ontwikkeling van de regulering van de commerciële ruimtevaart en was in 2009 lid van de Presidential Augustine Commission. Jeff was medeoprichter van XCOR Aerospace en was van 1999 tot begin 2015 CEO. Voorheen was hij teamleider van het raketmotorenteam bij Rotary Rocket en technisch manager in de ontwikkeling van chiptechnologie bij Intel. Hij heeft 28 Amerikaanse patenten en heeft onlangs artikelen gepubliceerd over nieuwe ruimtevoortstuwingsconcepten. Hij is ook gouverneur van de National Space Society.