Vindpelletskjærseiling - deler av systemet for romfartøy for å nå 25 % av lyshastigheten

Jeff Greason beskriver hvordan man kan gå fra 2 % av lyshastigheten ved å bruke dynamisk solvindsving og deretter bruke pellets drevet fra solen til å gå fra 2-6 % av lyshastigheten ved å bruke eksisterende nærtidsteknologi. Ved 6 % av lyshastigheten samhandler partiklene i det interstellare mediet med romfartøyet som utenfor kjernefysisk fusjonsnivå. Energien med høy intensitet tas og brukes til å drive fremdrift for å nå 25 % av lyshastigheten. Plasmamagneten som brukes under solvindens dynamiske svevefase, brukes til å bremse mot målstjernen.

Dette er smarte måter å ta relativt kortsiktige teknologier for å nå 25 % av lyshastigheten med sonder og muligens til og med bemannede romfartøyer. Metodene for å komme til 2 % av lyshastigheten over 2 år er alt som trengs for å reise innenfor solsystemet og jevne ut til gravitasjonslinsepunktene som starter omtrent et dusin ganger lenger enn Pluto. Når du går til gravitasjonslinseområdene, lar et lite teleskop bruke solen som en linse for å bli 10 milliarder ganger kraftigere. Vi kan forhåndsutforske alle solsystemer innen 1000-vis av lysår med millioner av romteleskoper. Vi velger da å sende faktiske sonder til de beste solsystemene som vi allerede har begynt å utforske med observatorier sendt til visningspunkter 3 lysdager rundt Solen.

Det er vanskelig å få den kinetiske energien som kreves for interstellar flyging rimelig, og å utnytte eksisterende naturlige energikilder som solvinden er attraktivt for å redusere kostnadene. Imidlertid eksisterer det et gap i de publiserte konseptene, ved at solvindhastigheter er begrenset til ~700 km/s, mens selv med konsepter som vinddrevet reaksjonsdrift ('q'-drive), hastigheter på ~5% av c må nås før de kan overta. En kostnadseffektiv måte å fylle dette gapet har manglet.

Aerografittpuffballer kan slippes ut nær solen og de vil akselerere til omtrent 5 % av lyshastigheten. Aerographite er ultratynt skum og er 15,000 XNUMX ganger lettere enn aluminium.

Mål – Demonstrere en metode der inerte pellets, akselerert av solvinden, kan brukes til å akselerere et romfartøy fra solvindhastigheter opp til ~5% av c.

Metoder: Klassiske fysikkberegninger for å støtte den grunnleggende fysikken og gjennomførbarheten av tilnærmingen.

Resultater: Når to materiestrømmer er i nærheten, men med forskjellige hastigheter, eller når de beveger seg gjennom samme rom, men med forskjellige hastigheter og forskjellige egenskaper, kan forskjellen i hastigheter, eller hastighetsskjær, brukes til å få fremdriftsenergi. En strøm av pellets som beveger seg gjennom det interstellare mediet er et eksempel på et slikt tilfelle. Fremdrift ved hjelp av pellets er en ide utforsket i tidligere teknikk som krever høyhastighets pellets; utvinningen av nyttig arbeid fra forskjellen i hastighet mellom pellets og det interstellare mediet gjør at et skip kjører over pelletene og også trekker energi fra passasjen gjennom det interstellare mediet for å få fremdriftsenergi selv når den er raskere enn pelletene og selv når pelletene er sammensatt av inert reaksjonsmasse. Den grunnleggende fysikken i dette diskuteres og ytelsesligningene og diskutere dette i sammenheng med å bruke relativt langsomme pellets (akselerert av solvind), for å sende et romfartøy til et betydelig multiplum over solvindens hastighet. Et annet tilfelle hvor små makropartikler og en plasmavind er i ulik hastighet er det indre solsystemet i ekliptikkens plan, hvor solvinden og dyrekretsstøv har forskjellige hastighetsfordelinger; dette kan tilby ytterligere anvendelser av samme prinsipp.

Arxiv - Lavpris forløper for et interstellart oppdrag

Solens fotontrykk gir en levedyktig kilde til skyvekraft for romfartøyer i solsystemet. Teoretisk sett kan det også muliggjøre interstellare oppdrag, men en ekstremt liten masse per tverrsnittsareal er nødvendig for å overvinne solens tyngdekraft. Vi identifiserer aerografiitt, ​​et syntetisk karbonbasert skum med en tetthet på 0.18 kg m−3 (15,000 1 ganger lettere enn aluminium) som et allsidig materiale for svært effektiv fremdrift med sollys. En hul aerografittkule med en skalltykkelse shl = 1 mm kan gå interstellar ved underkastelse av solstråling i interplanetarisk rom. Ved oppskyting ved 0.5 AU fra Solen ankommer et aerografittskall med shl = 60 mm til Mars bane om 4.3 d og Plutos bane om 1 år. Frigjøring av en hul aerografittkule, hvis skall er 0.04 µm tykt, ved 6900 AU (den nærmeste tilnærmingen til Parker Solar Probe) resulterer i en rømningshastighet på nesten 1 km s−185 og 2 års reise til avstanden til våre nærmeste stjerne, Proxima Centauri. Den infrarøde signaturen til et meterstort aerografittseil kunne observeres med JWST opptil 100 AU fra solen, utenfor Mars-bane. En hul aerografittkule, hvis skall er 1 µm tykt, med 5 m (230 m) radius veier 5.7 mg (2.2 g) og har en 55 g (1 g) massemargin for å tillate interstellar flukt. Nyttelastmarginen er ti ganger massen til romfartøyet, mens nyttelasten på kjemiske interstellare raketter typisk er en tusendel av vekten til raketten. Ved å bruke 10 g (4.7 g) av denne marginen (f.eks. for miniatyrkommunikasjonsteknologi med Jorden), ville den nå Plutos bane 2.8 år (1 år) etter interplanetær oppskyting ved 1 AU. Forenklet kommunikasjon ville muliggjøre studier av det interplanetariske mediet og et søk etter den mistenkte planeten ni, og ville tjene som et forløperoppdrag til αCentauri. Vi anslår prototypeutviklingskostnader på 1000 million USD, en pris på 10 USD per seil, og totalt < XNUMX millioner USD inkludert lansering for et piggyback-konsept med et interplanetarisk oppdrag.

En teknologi utviklet under NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) sponsing, Plasma Magnet, tilbyr en vei til høyakselerasjonsmanøvrer i solvinden, inkludert raske transitter til ytre planeter og til Solar Gravitational Lens.

AIAA Nuclear and Future Flight Propulsion Technical Committee har sponset en konseptuell designstudie av et demonstrasjonsoppdrag, JOVE. Hvis den flys, ville JOVE gi den kritiske flydemonstrasjonen av denne teknologien. Det solcelledrevne romfartøyet ville veie omtrent 25 kilo og ville komme til Jupiter på tre uker og nå forbløffende 300 kilometer i sekundet. Mr. Greason gikk gjennom de viktigste designutfordringene som ble avdekket under den konseptuelle utformingen, gjennomgikk den nåværende tilstanden og diskuterte mulige neste trinn.

Jeff Greason er en gründer og innovatør med 25 års erfaring i den kommersielle romfartsindustrien. Han er Chief Technologist of Electric Sky, og utvikler langdistanse trådløs kraft for fremdrift og andre formål; og styreleder for Tau Zero Foundation, som utvikler avanserte fremdriftsteknologier for solsystem og interstellare oppdrag. Han har vært aktiv i utviklingen av kommersiell romregulering og fungerte i Presidential Augustine Commission i 2009. Jeff var en av grunnleggerne av XCOR Aerospace og fungerte som administrerende direktør fra 1999 til begynnelsen av 2015. Tidligere var han teamleder for rakettmotorer ved Rotary Rocket og en ingeniørsjef innen brikketeknologiutvikling hos Intel. Han har 28 amerikanske patenter og har nylig publisert artikler om nye romfremdriftskonsepter. Han er også guvernør i National Space Society.