Wind Pellet Shear Sailing - części systemu dla statków kosmicznych, aby osiągnąć 25% prędkości światła

Jeff Greason opisuje, jak przejść od 2% prędkości światła, wykorzystując dynamiczny wzrost wiatru słonecznego, a następnie używając pelletów napędzanych przez słońce, aby przejść od 2-6% prędkości światła, korzystając z istniejącej technologii krótkoterminowej. Przy 6% prędkości światła cząstki ośrodka międzygwiazdowego oddziałują ze statkiem kosmicznym z energią przekraczającą poziom syntezy jądrowej. Energia o dużej intensywności jest pobierana i wykorzystywana do napędzania napędu, aby osiągnąć 25% prędkości światła. Magnes plazmowy używany podczas fazy dynamicznego wznoszenia się wiatru słonecznego służy do hamowania docelowej gwiazdy.

Są to sprytne sposoby wykorzystania stosunkowo krótkoterminowych technologii, aby osiągnąć 25% prędkości światła za pomocą sond, a być może nawet załogowych statków kosmicznych. Aby móc podróżować po Układzie Słonecznym i docierać do punktów soczewki grawitacyjnej, zaczynających się kilkanaście razy dalej niż Pluton, wystarczą metody umożliwiające osiągnięcie 2% prędkości światła w ciągu 2 lat. Dotarcie do obszarów soczewek grawitacyjnych pozwoli małemu teleskopowi wykorzystać Słońce jako soczewkę, aby stać się 10 miliardów razy potężniejszym. Za pomocą milionów teleskopów kosmicznych możemy wstępnie zbadać wszystkie układy słoneczne w promieniu tysiąca lat świetlnych. Następnie decydujemy się wysłać rzeczywiste sondy do najlepszych układów słonecznych, które już zaczęliśmy badać, za pomocą obserwatoriów wysłanych do punktów obserwacyjnych oddalonych o 1000 dni świetlne od Słońca.

Uzyskanie niedrogiej energii kinetycznej wymaganej do lotu międzygwiezdnego jest trudne, a wykorzystanie istniejących naturalnych źródeł energii, takich jak wiatr słoneczny, jest atrakcyjne ze względu na redukcję kosztów. Jednakże w opublikowanych koncepcjach istnieje luka polegająca na tym, że prędkość wiatru słonecznego jest ograniczona do ~700 km/s, podczas gdy nawet w przypadku takich koncepcji jak napęd reakcyjny napędzany wiatrem („q”-drive) prędkość wiatru słonecznego wynosi ~5% c muszą zostać osiągnięte, zanim będą mogli przejąć kontrolę. Brakowało opłacalnego sposobu na wypełnienie tej luki.

Aerografitowe kulki mogą zostać uwolnione w pobliżu Słońca i przyspieszą do około 5% prędkości światła. Aerografit to ultra cienka pianka, która jest 15,000 XNUMX razy lżejsza od aluminium.

Cel – zademonstrowanie metody, dzięki której obojętne granulki przyspieszane przez wiatr słoneczny można wykorzystać do przyspieszenia statku kosmicznego od prędkości wiatru słonecznego do ~5% c.

Metody: Obliczenia z fizyki klasycznej wspierające podstawową fizykę i wykonalność podejścia.

Wyniki: Kiedy dwa strumienie materii znajdują się blisko siebie, ale z różnymi prędkościami, lub gdy poruszają się w tej samej przestrzeni, ale z różnymi prędkościami i możliwymi do rozróżnienia właściwościami, różnicę prędkości lub ścinanie prędkości można wykorzystać do uzyskania energii napędowej. Przykładem takiego przypadku jest strumień granulek przemieszczający się w ośrodku międzygwiazdowym. Napęd za pomocą pelletu jest pomysłem badanym w stanie techniki, który wymaga pelletów o dużej prędkości; wydobycie użytecznej pracy z różnicy prędkości pomiędzy granulkami a ośrodkiem międzygwiazdowym umożliwia statkowi przejechanie granulek, a także pobranie energii z przejścia przez ośrodek międzygwiazdowy w celu uzyskania energii napędowej nawet wtedy, gdy jest szybszy niż granulki i nawet wtedy, gdy granulki składają się z obojętnej masy reakcyjnej. Omówiono podstawową fizykę tego zjawiska oraz równania wydajności i omówiono je w kontekście wykorzystania stosunkowo wolnych granulek (przyspieszanych przez wiatr słoneczny) do wysłania statku kosmicznego na znaczną wielokrotność prędkości wiatru słonecznego. Innym przypadkiem, w którym małe makrocząstki i wiatr plazmowy poruszają się z różnymi prędkościami, jest wewnętrzny Układ Słoneczny w płaszczyźnie ekliptyki, gdzie wiatr słoneczny i pył zodiakalny mają różne rozkłady prędkości; może to zapewnić dalsze zastosowania tej samej zasady.

Arxiv – tani prekursor misji międzygwiezdnej

Ciśnienie fotonów słonecznych stanowi realne źródło ciągu dla statków kosmicznych w Układzie Słonecznym. Teoretycznie mógłby również umożliwić misje międzygwiezdne, ale do pokonania grawitacji słonecznej wymagana jest niezwykle mała masa na przekrój poprzeczny. Uważamy, że aerografit, syntetyczna pianka na bazie węgla o gęstości 0.18 kg m-3 (15,000 1 razy lżejsza od aluminium) jest wszechstronnym materiałem zapewniającym wysoce wydajny napęd za pomocą światła słonecznego. Wydrążona kula aerografitowa o grubości powłoki shl = 1 mm mogłaby przejść międzygwiazdowe po poddaniu się promieniowaniu słonecznemu w przestrzeni międzyplanetarnej. Po wystrzeleniu w odległości 0.5 jednostki astronomicznej od Słońca powłoka aerografitowa o grubości shl = 60 mm dociera na orbitę Marsa w ciągu 4.3 dni, a na orbitę Plutona w ciągu 1 roku. Uwolnienie aerografitowej pustej kuli, której powłoka ma grubość 0.04 µm, w odległości 6900 AU (najbliższe podejście Parker Solar Probe) skutkuje prędkością ucieczki prawie 1 km/s-185 i 2 lat podróży na odległość naszej najbliższej gwiazda Proxima Centauri. Sygnaturę w podczerwieni żagla aerografitowego wielkości metra można było zaobserwować za pomocą JWST w odległości do 100 jednostek astronomicznych od Słońca, poza orbitą Marsa. Aerografitowa pusta kula, której powłoka ma grubość 1 µm i promień 5 m (230 m), waży 5.7 mg (2.2 g) i ma margines masy 55 g (1 g), umożliwiający ucieczkę międzygwiazdową. Margines ładunku wynosi dziesięciokrotność masy statku kosmicznego, podczas gdy ładunek chemicznych rakiet międzygwiazdowych wynosi zazwyczaj jedną tysięczną masy rakiety. Wykorzystując 10 g (4.7 g) tego marginesu (np. na potrzeby miniaturowej technologii komunikacji z Ziemią), dotarłby na orbitę Plutona 2.8 roku (1 roku) po międzyplanetarnym wystrzeleniu w odległości 1 jednostki astronomicznej. Uproszczona komunikacja umożliwiłaby badanie ośrodka międzyplanetarnego i poszukiwanie podejrzanej Planety Dziewiątej, a także posłużyłaby jako misja poprzedzająca αCentauri. Szacujemy koszty opracowania prototypu na 1000 milion USD, cenę 10 USD za żagiel i łącznie < XNUMX milionów USD, łącznie ze startem koncepcji barana z misją międzyplanetarną.

Technologia magnesu plazmowego opracowana pod patronatem Instytutu Zaawansowanych Koncepcji NASA (NIAC) umożliwia wykonywanie manewrów o dużym przyspieszeniu w wietrze słonecznym, w tym szybkich tranzytów na planety zewnętrzne i do słonecznej soczewki grawitacyjnej.

Komitet Techniczny AIAA ds. Napędów Jądrowych i Przyszłych Lotów sfinansował studium projektu koncepcyjnego misji demonstracyjnej JOVE. W przypadku lotu JOVE zapewniłby krytyczną demonstrację w locie tej technologii. Statek kosmiczny napędzany energią słoneczną miałby ważyć około 25 kilogramów i dotrzeć do Jowisza w trzy tygodnie, osiągając zdumiewającą prędkość 300 kilometrów na sekundę. Pan Greason omówił kluczowe wyzwania projektowe odkryte podczas projektowania koncepcyjnego, dokonał przeglądu obecnego stanu i omówił możliwe kolejne kroki.

Jeff Greason to przedsiębiorca i innowator z 25-letnim doświadczeniem w komercyjnej branży kosmicznej. Jest głównym technologiem Electric Sky, zajmującym się rozwojem bezprzewodowej energii dalekiego zasięgu do napędu i innych celów; oraz prezes Fundacji Tau Zero, zajmującej się rozwojem zaawansowanych technologii napędowych do celów Układu Słonecznego i misji międzygwiezdnych. Brał aktywny udział w rozwoju przepisów dotyczących przestrzeni komercyjnej i służył w Prezydenckiej Komisji Augustyna w 2009 r. Jeff był współzałożycielem XCOR Aerospace i pełnił funkcję dyrektora generalnego od 1999 r. do początku 2015 r. Wcześniej był kierownikiem zespołu ds. silników rakietowych w firmie Rotary Rocket i menedżer inżynieryjny ds. rozwoju technologii chipów w firmie Intel. Posiada 28 patentów w USA i niedawno opublikował artykuły na temat nowatorskich koncepcji napędu kosmicznego. Jest także gubernatorem Krajowego Towarzystwa Kosmicznego.