Plasmamagneter som använder dynamisk svävning för att gå 2 % av ljusets hastighet

Det finns ett antal koncept för att utnyttja solvinden som framdrivningsmedel: MagSail, e-seglet och plasmamagneten. Alla dessa koncept fungerar övervägande som draganordningar och är därför begränsade till hastigheter lika med solvinden (~700 km/s), med endast begränsad förmåga att generera kraft tvärs den lokala riktningen för solvinden (dvs lyft). En intressant möjlighet att utforska är dynamisk svävning: Att utnyttja skillnaden i vindhastighet i två olika regioner i rymden. Albatrosser och segelflygplan är kända för att använda denna teknik, som cirkulerar in och ut ur områden med vindskjuvning. Birch (JBIS, 1989) föreslog att en sådan teknik skulle kunna användas via en "MHD Wing" för interstellära resor, men utforskade inte konceptet ytterligare.

En rymdfarkost med riktad plasmavågsantenn som ger impulser till det lokala interplanetära eller interstellära mediet och genererar en kraft på antennen (lyft). Upprepade dynamiska svävande manövrar görs för att utvinna energi och få multiplar av solvindens hastighet för att uppnå hastigheter upp till tio gånger högre än solvindens maximala hastighet och nå cirka 2% av ljusets hastighet.

Utvecklingen av konceptet att interagera med solvinden som ett framdrivningsmedel kommer att kräva experimentell validering i etapper, varav den första skulle vara demonstration av betydande motstånd mot solvinden med hjälp av en magnetisk struktur för framdrivning. Plasmamagneten verkar vara den högsta presterande när det gäller accelerationer av dragkoncepten som granskades i introduktionen, så en demonstration av plasmamagnetteknologi verkar vara nästa logiska steg. En nyligen genomförd studie har föreslagit ett litet, 16U cubesat demonstratorkoncept som kallas Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) som kan passera Jupiters omloppsbana bara 6 månader efter uppskjutningen från jorden. En annan tillämpning av den vinddrivna plasmamagnetteknologin skulle vara en demonstration av snabb tillgång till solar gravitationslins (SGL) avstånd (>550AU). Studien, kallad Wind Rider Pathfinder Mission, har visat att SGL-regionen kan nås inom mindre än 7 år från lanseringen med denna teknik. Dessa banbrytande uppdrag skulle ge validering att meningsfull framdrivningskraft skulle kunna utvinnas från solvinden, vilket ger en grund för det mer avancerade konceptet att utvinna elektrisk kraft från vinden för hissgenerering.

Att skicka teleskop till solens gravitationslins skulle öka visualiseringsförmågan hos ett teleskop miljarder gånger eftersom det skulle titta på ljus fokuserat av den nästan miljoner mil breda solen. ett solar gravitationslinsteleskop. Vid optiska eller nära optiska våglängder är förstärkningen av ljus i storleksordningen 200 miljarder gånger och med lika imponerande vinkelupplösning. Om vi ​​kan nå denna region med början vid 550 AU från solen, kan vi utföra direkt avbildning av exoplaneter. Ett bilduppdrag är utmanande men genomförbart, med hjälp av tekniker som antingen redan är tillgängliga eller i aktiv utveckling. Under realistiska förhållanden kräver megapixelavbildning av jordliknande exoplaneter i vårt galaktiska grannskap bara veckor eller månader av integrationstid, inte år som tidigare trott.

Teamet har undersökt att skicka en meter teleskop ut ungefär tjugo gånger längre än Pluto för att använda tyngdkraften från solens böjande ljus. Solen är 865000 109 miles över vilket är 3 gånger bredare än jorden. Tyngdkraften låter dig utnyttja solen som en gigantisk ljussamlare. Vi kan gå XNUMX ljusdagar bort från jorden och avbilda planeter i andra solsystem. Det skulle vara som att vi skickade en sond in i det andra solsystemet.

Om den här metoden fungerar kan vi utforska andra solsystem på 2030-talet.

Detta tillvägagångssätt bygger på konceptet med en framdrivningsmotor som drivs av externt dynamiskt tryck [den så kallade q-drivningen (Greason, 2019)], men i det nuvarande konceptet används ingen reaktionsmassa ombord. Genom att använda den externa kraftgenereringen för att accelerera material som finns tillgängligt i solvinden vinkelrätt mot flödet över fordonet, genereras ett lyft som är större i storlek än det motstånd som genereras av kraftutvinningsprocessen. Resultatet är en typ av lyftgenererande vinge, men utan fysisk struktur. I avsnitt 2 utvecklas funktionsprinciperna för denna hissgenererande mekanism i detalj. I avsnitt 3 utvecklas potentiella uppdragskoncept med användning av områden med hög vindskjuvning tillgängliga i solsystemet, nämligen gränssnittet mellan den snabba (polära) och långsamma (ekvatoriala) solvinden och avslutningschocken där solvinden återgår från överljud till subsoniskt flöde, för att nå hastigheter på ≈2 % av c.

Flera strukturer i solsystemet erbjuder vindgradienter som är tillräckligt stora för dynamiska svävande manövrar för att utvinna energi. Sådana strukturer inkluderar men är inte begränsade till: termineringschocken, heliopausen, den långsamma och snabba solvinden och gränsen för den planetariska magnetosfären. Även om tätheten hos dessa strukturer varierar, har analys av draganordningar som plasmamagneten visat att omfattningen av den artificiellt genererade magnetosfären runt fordonet naturligt expanderar när den omgivande densiteten minskar. Specifikt kommer den magnetiska strukturen runt rymdfarkosten att expandera tills det magnetiska trycket matchar det dynamiska trycket från solvinden. Denna effekt gör att enheter som plasmamagneten nästan konstant drar när de rör sig utåt från solen. För analysen i denna artikel har vi antagit konstanta värden på motståndet och eftersom lyftkraften som genereras härrör från rörelsen av motståndsanordningen genom plasman, konstanta värden på lyftet också.

Ett fordon (eller fågel) utför en elastisk kollision när det kommer in i den rörliga luftströmmen via en bankmanöver med låg dragkraft. När fordonet åter går in i den stilla luften har det ökat dubbelt så mycket som vindströmmen. Genom att sedan banka in den stilla luften kan fordonet åter gå in i vindströmmen och öka dess hastighet igen, upprepa manövern om och om igen tills motståndsförlusterna motverkar hastighetsökningarna och en maximal hastighet uppnås. Nyligen har entusiaster för fjärrstyrda segelflygplan uppnått anmärkningsvärda hastigheter som överstiger 850 km/tim – ungefär 10 gånger vindens hastighet – genom att använda denna teknik med segelflygplan som inte har någon framdrivning ombord

En rymdfarkost kan interagera med flöden av joniserad gas i rymden (solvinden eller det interstellära mediet) för att accelereras till hastigheter större än flödeshastigheten. Inspirerad av de dynamiska svävande manövrarna utförda av sjöfåglar och segelflygplan där skillnader i vindhastighet utnyttjas för att vinna hastighet, i den föreslagna tekniken cirklar en hissgenererande rymdfarkost mellan regioner av heliosfären som har olika vindhastigheter, och får energi i processen utan användning av drivmedel och endast blygsamma effektkrav ombord.

I den enklaste analysen kan rymdfarkostens rörelse modelleras som en serie elastiska kollisioner mellan områden av mediet som rör sig med olika hastigheter. Mer detaljerade modeller av rymdfarkostens bana utvecklas för att förutsäga de potentiella hastighetsvinsterna och den maximala hastigheten som kan uppnås i termer av lyft-till-drag-förhållandet för fordonet. En lyftgenererande mekanism föreslås i vilken kraft utvinns från flödet över fordonet i flygriktningen och sedan används för att accelerera det omgivande mediet i tvärriktningen, vilket genererar lyft (dvs en kraft vinkelrät mot flödet). Stora värden på lyft-till-drag-förhållandet har visat sig vara möjliga i det fall då en liten tvärgående hastighet överförs över ett stort interaktionsområde. Kravet på ett stort interaktionsområde i heliosfärens extremt låga densitet utesluter användningen av en fysisk vinge, men användningen av plasmavågor som genereras av en kompakt, riktad antenn för att ge momentum på det omgivande mediet är genomförbart, med excitation av R-vågor, X-vågor, Alfven-vågor och magnetosoniska vågor framstår som lovande kandidater. Ett konceptuellt uppdrag definieras där dynamisk svävning utförs på heliosfärens upphörande chock, vilket gör det möjligt för en rymdfarkost att nå hastigheter som närmar sig 2 % av c inom två och ett halvt år efter uppskjutningen utan att behöva använda drivmedel. Tekniken kan omfatta det första steget för ett flerstegsuppdrag för att uppnå verklig interstellär flygning till andra solsystem.

Solsegel är det första exemplet på en framdrivningsteknik som utnyttjar de fritt tillgängliga fotoner som kommer från solen, men även den mest extrema solseglingen – lanserad från nära solen med de material som har den högsta temperaturen med den lägsta yttätheten (t.ex. aerografit) – skulle bara kunna uppnå 2 % av c (Heller et al., 2020); mer konventionella solsegel är begränsade till mindre än 0.5 % av c (Davoyan et al., 2021). Nyligen har Lingam och Loeb (Lingam och Loeb, 2020) undersökt astrofysiska objekt (t.ex. massiva stjärnor, supernovor, etc.) som skulle tillåta ett strålningsförskjutet ljussegel att uppnå hastigheter på 10 % av c eller högre, men detta fortfarande lämnar problemet med hur mänsklig teknologi som härrör från solsystemet kan uppnå interstellär flygning.