Plasmamagneter som bruker dynamisk sveve for å gå 2 % av lyshastigheten

Det finnes en rekke konsepter for å utnytte solvinden som fremdriftsmiddel: MagSail, e-seilet og plasmamagneten. Alle disse konseptene fungerer hovedsakelig som dragenheter og er derfor begrenset til hastigheter lik solvinden (~700 km/s), med bare begrenset evne til å generere kraft på tvers av den lokale retningen til solvinden (dvs. løft). En interessant mulighet for å bli utforsket er dynamisk sveving: Utnyttelse av forskjellen i vindhastighet i to forskjellige områder av verdensrommet. Albatrosser og seilfly er kjent for å bruke denne teknikken, og sirkler inn og ut av områder med vindskjæring. Birch (JBIS, 1989) foreslo at en slik teknikk kunne brukes via en "MHD Wing" for interstellare reiseapplikasjoner, men utforsket ikke konseptet videre.

Et romfartøy med retningsbestemt plasmabølgeantenne som gir momentum til det lokale interplanetære eller interstellare mediet, og genererer en kraft på antennen (løft). Gjentatte dynamiske svevemanøvrer er laget for å trekke ut energi og få multipler av solvindens hastighet for å oppnå hastigheter opptil ti ganger høyere enn solvindens maksimale hastighet og nå omtrent 2 % av lysets hastighet.

Utvikling av konseptet med å samhandle med solvinden som fremdriftsmiddel vil kreve eksperimentell validering i trinn, hvorav den første vil være demonstrasjon av betydelig motstand mot solvinden ved å bruke en magnetisk struktur for fremdrift. Plasmamagneten ser ut til å ha den høyeste ytelsen når det gjelder akselerasjoner av dragkonseptene som er gjennomgått i introduksjonen, så en demonstrasjon av plasmamagnetteknologi ser ut til å være det neste logiske trinnet. En fersk studie har foreslått et lite 16U cubesat-demonstratorkonsept kalt Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) som kan passere Jupiters bane bare 6 måneder etter oppskytingen fra Jorden. En annen anvendelse av vindridende plasmamagnetteknologi ville være en demonstrasjon av rask tilgang til solar gravitasjonslinse (SGL) avstand (>550AU). Studien, kalt Wind Rider Pathfinder Mission, har vist at SGL-regionen kan nås på mindre enn 7 år fra lansering ved hjelp av denne teknologien. Disse banebrytende oppdragene ville gi bekreftelse på at meningsfull fremdriftskraft kunne utvinnes fra solvinden, og gi grunnlaget for det mer avanserte konseptet med å utvinne elektrisk kraft fra vinden for heisgenerering.

Å sende teleskoper til solens gravitasjonslinse ville øke visualiseringsevnen til et teleskop milliarder av ganger fordi det ville se på lys fokusert av den nesten millioner kilometer brede solen. et solar gravitasjonslinseteleskop. Ved optiske eller nær-optiske bølgelengder er forsterkningen av lys i størrelsesorden 200 milliarder ganger og med like imponerende vinkeloppløsning. Hvis vi kan nå denne regionen fra 550 AU fra solen, kan vi utføre direkte avbildning av eksoplaneter. Et bildeoppdrag er utfordrende, men gjennomførbart, ved å bruke teknologier som enten allerede er tilgjengelige eller i aktiv utvikling. Under realistiske forhold krever megapikselavbildning av jordlignende eksoplaneter i vårt galaktiske nabolag bare uker eller måneder med integreringstid, ikke år som tidligere antatt.

Teamet har undersøkt å sende teleskoper på én meter ut omtrent tjue ganger lenger enn Pluto for å bruke tyngdekraften til solbøyende lys. Solen er 865000 109 miles over som er 3 ganger bredere enn jorden. Tyngdekraften lar deg utnytte solen som en gigantisk lyssamler. Vi kan gå XNUMX lysdager unna Jorden og avbilde planeter i andre solsystemer. Det ville være som om vi sendte en sonde inn i det andre solsystemet.

Hvis denne metoden fungerer, kan vi utforske andre solsystemer på 2030-tallet.

Denne tilnærmingen bygger på konseptet om en fremdriftsdrift som drives av eksternt dynamisk trykk [det såkalte q-drevet (Greason, 2019)], men i det nåværende konseptet brukes ingen reaksjonsmasse ombord. Ved å bruke den eksterne kraftgenereringen til å akselerere materie tilgjengelig i solvinden vinkelrett på strømmen over kjøretøyet, genereres løft som er større enn motstanden som genereres av kraftutvinningsprosessen. Resultatet er en type løftegenererende vinge, men uten fysisk struktur. I seksjon 2 er driftsprinsippene til denne løftegenererende mekanismen utviklet i detalj. I seksjon 3 utvikles potensielle oppdragskonsepter ved å bruke områder med høy vindskjæring tilgjengelig i solsystemet, nemlig grensesnittet mellom den raske (polare) og sakte (ekvatoriale) solvinden og avslutningssjokket der solvinden går tilbake fra supersonisk til subsonisk strømning, for å nå hastigheter på ≈2 % av c.

Flere strukturer i solsystemet tilbyr vindgradienter som er store nok til dynamiske svevemanøvrer for å utvinne energi. Slike strukturer inkluderer, men er ikke begrenset til: termineringssjokket, heliopausen, den langsomme og raske solvinden og grensen til den planetariske magnetosfæren. Mens tettheten til disse strukturene varierer, har analyser av dragenheter som plasmamagneten vist at omfanget av den kunstig genererte magnetosfæren rundt kjøretøyet naturlig utvides ettersom den omkringliggende tettheten avtar. Nærmere bestemt vil den magnetiske strukturen rundt romfartøyet utvide seg til det magnetiske trykket samsvarer med det dynamiske trykket til solvinden. Denne effekten gjør at enheter som plasmamagneten nesten konstant drar når de beveger seg utover fra solen. For formålet med analysen i denne artikkelen har vi tatt i bruk konstante verdier for luftmotstand, og siden løftekraften som genereres stammer fra bevegelsen til luftmotstandsanordningen gjennom plasmaet, konstante verdier for luftmotstand også.

Et kjøretøy (eller fugl) utfører en elastisk kollisjon når det kommer inn i den bevegelige luftstrømmen via en bankmanøver med lavt luftmotstand. Når kjøretøyet kommer inn i den stille luften igjen, har det fått dobbelt så mye hastighet som vindstrømmen. Ved deretter å banke inn i den stille luften, kan kjøretøyet gå inn i vindstrømmen igjen og øke hastigheten igjen, gjenta manøveren om og om igjen til luftmotstandstap motvirker hastighetsøkningen og en maksimal hastighet oppnås. Nylig har fjernstyrte seilflyentusiaster oppnådd bemerkelsesverdige hastigheter på over 850 km/t – omtrent 10 ganger vindens hastighet – ved å bruke denne teknikken med seilfly som ikke har fremdrift om bord

Et romfartøy kan samhandle med strømmer av ionisert gass i rommet (solvinden eller interstellart medium) for å bli akselerert til hastigheter større enn strømningshastigheten. Inspirert av de dynamiske svevemanøvrene utført av sjøfugler og seilfly der forskjeller i vindhastighet utnyttes for å oppnå hastighet, i den foreslåtte teknikken sirkler et heisgenererende romfartøy mellom regioner i heliosfæren som har forskjellige vindhastigheter, og får energi i prosessen uten bruk av drivmiddel og kun beskjedne strømkrav ombord.

I den enkleste analysen kan romfartøyets bevegelse modelleres som en serie elastiske kollisjoner mellom områder av mediet som beveger seg med forskjellige hastigheter. Mer detaljerte modeller av romfartøyets bane er utviklet for å forutsi de potensielle hastighetsøkningene og den maksimale hastigheten som kan oppnås når det gjelder løft-til-drag-forholdet til kjøretøyet. En løftegenererende mekanisme er foreslått der kraft trekkes ut fra strømmen over kjøretøyet i flyretningen og deretter brukes til å akselerere det omgivende mediet i tverrretningen, og genererer løft (dvs. en kraft vinkelrett på strømmen). Store verdier av løft-til-drag-forholdet er vist å være mulig i tilfellet der en liten tverrhastighet tildeles over et stort interaksjonsområde. Kravet til et stort interaksjonsområde i den ekstremt lave tettheten av heliosfæren utelukker bruken av en fysisk vinge, men bruk av plasmabølger generert av en kompakt retningsbestemt antenne for å gi momentum på det omkringliggende mediet er mulig, med eksitering av R-bølger, X-bølger, Alfven-bølger og magnetosoniske bølger fremstår som lovende kandidater. Et konseptuelt oppdrag er definert der dynamisk sveving utføres på avslutningssjokket av heliosfæren, noe som gjør det mulig for et romfartøy å nå hastigheter som nærmer seg 2 % av c innen to og et halvt år etter oppskyting uten å bruke drivmiddel. Teknikken kan omfatte det første trinnet for et flertrinnsoppdrag for å oppnå ekte interstellar flyging til andre solsystemer.

Solseil er det første eksemplet på en fremdriftsteknologi som utnytter de fritt tilgjengelige fotonene som kommer fra solen, men selv den mest ekstreme solseilingen – lansert fra nær solen ved bruk av materialer med høyest temperatur og lavest arealtetthet (f.eks. aerografitt) – ville bare være i stand til å oppnå 2 % av c (Heller et al., 2020); mer konvensjonelle solseil er begrenset til mindre enn 0.5 % av c (Davoyan et al., 2021). Nylig har Lingam og Loeb (Lingam og Loeb, 2020) undersøkt astrofysiske objekter (f.eks. massive stjerner, supernovaer, etc.) som ville tillate et strålingspresset lysseil å oppnå hastigheter på 10 % av c eller høyere, men dette fortsatt etterlater problemet med hvordan menneskelig teknologi som stammer fra solsystemet kan oppnå interstellar flyging.