Magnesy plazmowe wykorzystują dynamiczne szybowanie, aby osiągnąć 2% prędkości światła

Istnieje wiele koncepcji wykorzystania wiatru słonecznego jako środka napędu: MagSail, e-żagiel i magnes plazmowy. Wszystkie te koncepcje działają głównie jako urządzenia przeciągające, a zatem są ograniczone do prędkości równych wiatrowi słonecznemu (~700 km/s), z jedynie ograniczoną możliwością generowania siły poprzecznej do lokalnego kierunku wiatru słonecznego (tj. siły nośnej). Ciekawą możliwością do zbadania jest dynamiczny szybowanie: wykorzystanie różnicy w prędkości wiatru w dwóch różnych obszarach przestrzeni. Wiadomo, że albatrosy i szybowce wykorzystują tę technikę, krążąc w obszarach uskoku wiatru i poza nimi. Birch (JBIS, 1989) zasugerował, że taką technikę można zastosować za pomocą „skrzydła MHD” do zastosowań związanych z podróżami międzygwiezdnymi, ale nie badał dalej tej koncepcji.

Statek kosmiczny z anteną kierunkową fal plazmowych, która nadaje pęd lokalnemu ośrodku międzyplanetarnemu lub międzygwiazdowemu, generując siłę działającą na antenę (lift). Powtarzane dynamiczne manewry szybujące mają na celu wydobycie energii i uzyskanie wielokrotności prędkości wiatru słonecznego, aby osiągnąć prędkości do dziesięciu razy większe niż maksymalna prędkość wiatru słonecznego i osiągnąć około 2% prędkości światła.

Opracowanie koncepcji interakcji z wiatrem słonecznym jako środka napędu będzie wymagało etapowej weryfikacji eksperymentalnej, z których pierwszym będzie wykazanie znacznego oporu wiatru słonecznego przy wykorzystaniu struktury magnetycznej do napędu. Magnes plazmowy wydaje się mieć najwyższą wydajność pod względem przyspieszeń spośród koncepcji oporu omówionych we wstępie, więc demonstracja technologii magnesów plazmowych wydaje się kolejnym logicznym krokiem. W niedawnym badaniu zaproponowano koncepcję małego demonstratora satelity-kostki o wysokości 16U, nazwanego Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE), który mógłby przelecieć przez orbitę Jowisza zaledwie 6 miesięcy po wystrzeleniu z Ziemi. Innym zastosowaniem technologii magnesów plazmowych napędzanych wiatrem byłaby demonstracja szybkiego dostępu do odległości słonecznej soczewki grawitacyjnej (SGL) (>550AU). Badanie o nazwie Wind Rider Pathfinder Mission wykazało, że przy użyciu tej technologii dostęp do regionu SGL będzie możliwy w niecałe 7 lat od wystrzelenia. Te przełomowe misje pomogłyby potwierdzić, że z wiatru słonecznego można wydobyć znaczącą energię napędową, co stanowiłoby podstawę dla bardziej zaawansowanej koncepcji pozyskiwania energii elektrycznej z wiatru do celów generowania siły nośnej.

Wysłanie teleskopów do słonecznej soczewki grawitacyjnej zwiększyłoby miliardy razy możliwości wizualizacji teleskopu, ponieważ obserwowałby on światło skupione przez słońce szerokie na prawie milion mil. teleskop ze słoneczną soczewką grawitacyjną. Przy długościach fal optycznych lub prawie optycznych wzmocnienie światła jest rzędu 200 miliardów razy i zapewnia równie imponującą rozdzielczość kątową. Jeśli uda nam się dotrzeć do tego regionu w odległości 550 jednostek astronomicznych od Słońca, będziemy mogli wykonać bezpośrednie obrazowanie egzoplanet. Misja obrazowania jest wymagająca, ale wykonalna, przy wykorzystaniu technologii, które są już dostępne lub są w fazie aktywnego rozwoju. W realistycznych warunkach megapikselowe obrazowanie egzoplanet podobnych do Ziemi w naszym galaktycznym sąsiedztwie wymaga jedynie tygodni lub miesięcy integracji, a nie lat, jak wcześniej sądzono.

Zespół badał możliwość wysłania jednometrowych teleskopów około dwadzieścia razy dalej niż Pluton, aby wykorzystać grawitację światła zaginającego Słońce. Słońce ma średnicę 865000 109 mil, czyli jest 3 razy szersze od Ziemi. Grawitacja pozwala wykorzystać słońce jako gigantyczny kolektor światła. Możemy oddalić się od Ziemi o XNUMX dni świetlne i wykonać zdjęcia planet w innych układach słonecznych. To tak, jakbyśmy wysłali sondę do innego układu słonecznego.

Jeśli ta metoda się sprawdzi, w latach trzydziestych XXI wieku będziemy mogli badać inne układy słoneczne.

Podejście to opiera się na koncepcji napędu napędowego zasilanego zewnętrznym ciśnieniem dynamicznym [tzw. q-drive (Greason, 2019)], jednak w obecnej koncepcji nie wykorzystuje się pokładowej masy reakcyjnej. Wykorzystując zewnętrzne wytwarzanie energii do przyspieszania materii dostępnej w wietrze słonecznym prostopadle do przepływu nad pojazdem, generowana jest siła nośna o wielkości większej niż opór generowany w procesie pozyskiwania energii. Rezultatem jest rodzaj skrzydła generującego siłę nośną, ale bez fizycznej struktury. W rozdziale 2 szczegółowo opisano zasady działania tego mechanizmu wytwarzającego siłę nośną. W Części 3 opracowano potencjalne koncepcje misji z wykorzystaniem regionów silnego uskoku wiatru dostępnych w Układzie Słonecznym, a mianowicie granicy pomiędzy szybkim (polarnym) i wolnym (równikowym) wiatrem słonecznym oraz szokiem końcowym, podczas którego wiatr słoneczny przechodzi z naddźwiękowego w przepływ poddźwiękowy, aby osiągnąć prędkości ≈2% c.

Kilka struktur w Układzie Słonecznym oferuje gradienty wiatru wystarczająco duże, aby umożliwić dynamiczne manewry szybujące w celu wydobycia energii. Struktury takie obejmują między innymi: szok końcowy, heliopauzę, powolny i szybki wiatr słoneczny oraz granicę magnetosfery planetarnej. Chociaż gęstość tych struktur jest różna, analiza urządzeń przeciągających, takich jak magnes plazmowy, wykazała, że ​​zasięg sztucznie wytworzonej magnetosfery wokół pojazdu w naturalny sposób rozszerza się wraz ze spadkiem gęstości otoczenia. W szczególności struktura magnetyczna wokół statku kosmicznego będzie się rozszerzać, aż ciśnienie magnetyczne dorówna ciśnieniu dynamicznemu wiatru słonecznego. Efekt ten sprawia, że ​​urządzenia takie jak magnes plazmowy mają niemal stały opór, gdy oddalają się od Słońca. Na potrzeby analizy w tej pracy przyjęliśmy stałe wartości oporu, a ponieważ generowana siła nośna wynika z ruchu urządzenia przeciągającego przez plazmę, także stałe wartości siły nośnej.

Pojazd (lub ptak) wykonuje zderzenie sprężyste, wchodząc w poruszający się strumień powietrza poprzez manewr przechyłu o niskim oporze. Gdy pojazd ponownie wleciał w spokojne powietrze, zyskał dwukrotnie większą prędkość niż strumień wiatru. Do tego czasu pojazd może ponownie wejść w strumień wiatru i ponownie zwiększyć prędkość, powtarzając manewr w kółko, aż straty oporu zrównoważą wzrost prędkości i osiągnięta zostanie prędkość maksymalna. Niedawno entuzjaści zdalnie sterowanych szybowców osiągnęli niezwykłe prędkości przekraczające 850 km/h – około 10 razy więcej niż prędkość wiatru – odwołując się do tej techniki w szybowcach, które nie mają napędu pokładowego

Statek kosmiczny może wchodzić w interakcję ze strumieniami zjonizowanego gazu w przestrzeni (wiatr słoneczny lub ośrodek międzygwiazdowy) w celu przyspieszenia do prędkości większych niż prędkość przepływu. Zainspirowany dynamicznymi manewrami wznoszenia się wykonywanymi przez ptaki morskie i szybowce, podczas których różnice w prędkości wiatru są wykorzystywane do zwiększenia prędkości, w proponowanej technice statek kosmiczny wytwarzający siłę nośną krąży pomiędzy regionami heliosfery, które mają różną prędkość wiatru, uzyskując przy tym energię bez użycia paliwa i przy niewielkim poborze mocy na pokładzie.

W najprostszej analizie ruch statku kosmicznego można modelować jako serię zderzeń sprężystych pomiędzy obszarami ośrodka poruszającymi się z różnymi prędkościami. Opracowywane są bardziej szczegółowe modele trajektorii statku kosmicznego w celu przewidywania potencjalnego przyrostu prędkości i maksymalnej prędkości, jaką można osiągnąć pod względem stosunku siły nośnej do oporu pojazdu. Zaproponowano mechanizm wytwarzania siły nośnej, w którym moc jest pobierana z przepływu nad pojazdem w kierunku lotu, a następnie wykorzystywana do przyspieszania otaczającego ośrodka w kierunku poprzecznym, generując siłę nośną (tj. siłę prostopadłą do przepływu). Wykazano, że duże wartości stosunku siły nośnej do oporu są możliwe w przypadku, gdy mała prędkość poprzeczna jest nadawana na dużym obszarze interakcji. Wymóg dużej powierzchni interakcji w wyjątkowo małej gęstości heliosfery wyklucza użycie fizycznego skrzydła, ale możliwe jest wykorzystanie fal plazmowych generowanych przez zwartą antenę kierunkową do nadawania pędu otaczającemu ośrodku, przy wzbudzeniu Fale R, fale X, fale Alfvena i fale magnetosoniczne wydają się obiecującymi kandydatami. Zdefiniowano misję koncepcyjną, w ramach której wykonywany jest dynamiczny lot po szoku końcowym heliosfery, umożliwiający statkowi kosmicznemu osiągnięcie prędkości bliskiej 2% c w ciągu dwóch i pół roku od wystrzelenia bez zużycia paliwa. Technika ta może stanowić pierwszy etap wieloetapowej misji mającej na celu osiągnięcie prawdziwego lotu międzygwiezdnego do innych układów słonecznych.

Żagle słoneczne to pierwszy przykład technologii napędu wykorzystującej swobodnie dostępne fotony emanujące ze Słońca, ale nawet najbardziej ekstremalne żeglowanie słoneczne – wystrzeliwane z okolic Słońca przy użyciu materiałów o najwyższej temperaturze i najniższej gęstości powierzchniowej (np. aerografitu) – byłby w stanie osiągnąć jedynie 2% c (Heller i in., 2020); bardziej konwencjonalne żagle słoneczne są ograniczone do mniej niż 0.5% c (Davoyan i in., 2021). Niedawno Lingam i Loeb (Lingam i Loeb, 2020) zbadali obiekty astrofizyczne (np. masywne gwiazdy, supernowe itp.), które umożliwiłyby żagielowi świetlnemu napędzanemu promieniowaniem osiągnięcie prędkości 10% c lub większej, ale to wciąż pozostawia problem, w jaki sposób technologia ludzka wywodząca się z Układu Słonecznego może osiągnąć lot międzygwiezdny.