Vindpelletsskjuvning - Delar av systemet för rymdfarkoster att nå 25 % av ljushastigheten

Jeff Greason beskriver hur man kan gå från 2 % av ljushastigheten med hjälp av dynamisk solvindshöjning och sedan använda pellets som drivs från solen för att gå från 2-6 % av ljushastigheten med hjälp av befintlig närtidsteknologi. Vid 6 % av ljushastigheten interagerar partiklarna i det interstellära mediet med rymdfarkosten som bortom kärnfusionsnivå. Den högintensiva energin tas och används för att driva framdrivningen för att nå 25 % av ljushastigheten. Plasmamagneten som används under solvindens dynamiska stigande fas används för att bromsa mot målstjärnan.

Det här är smarta sätt att ta relativt kortsiktiga tekniker för att nå 25 % av ljushastigheten med sonder och möjligen till och med bemannade rymdfarkoster. Metoderna för att komma till 2% av ljushastigheten över 2 år är allt som behövs för resor inom solsystemet och ut till gravitationslinspunkterna med början ett dussin gånger längre än Pluto. Att gå till gravitationslinsområdena låter ett litet teleskop använda solen som lins för att bli 10 miljarder gånger kraftfullare. Vi kan förutforska alla solsystem inom 1000-tals ljusår med miljontals rymdteleskop. Vi väljer sedan att skicka faktiska sonder till de bästa solsystemen som vi redan har börjat utforska med observatorier som skickas till visningspunkter 3 ljusdagar runt solen.

Att få den kinetiska energin som krävs för interstellär flygning överkomligt är svårt och att utnyttja befintliga naturliga energikällor som solvinden är attraktivt för att minska kostnaderna. Det finns dock en lucka i de publicerade koncepten, genom att solvindhastigheterna är begränsade till ~700 km/s, medan även med begrepp som vinddriven reaktionsdrift ('q'-drift), hastigheter på ~5% av c måste nås innan de kan ta över. Ett kostnadseffektivt sätt att fylla det gapet har saknats.

Aerographite puffballs kan släppas nära solen och de kommer att accelerera till cirka 5% av ljusets hastighet. Aerographite är ultratunt skum och är 15,000 XNUMX gånger lättare än aluminium.

Mål – Demonstrera en metod genom vilken inerta pellets, accelererade av solvinden, kan användas för att accelerera en rymdfarkost från solvindhastigheter upp till ~5% av c.

Metoder: Klassiska fysikberäkningar för att stödja den grundläggande fysiken och tillvägagångssättets genomförbarhet.

Resultat: När två materieströmmar är i närheten men med olika hastigheter, eller när de rör sig genom samma utrymme men med olika hastigheter och särskiljbara egenskaper, kan skillnaden i hastigheter, eller hastighetsskjuvning, användas för att få framdrivande energi. En ström av pellets som rör sig genom det interstellära mediet är ett exempel på ett sådant fall. Framdrivning av pellets är en idé som utforskats inom känd teknik och som kräver höghastighetspellets; utvinningen av användbart arbete från skillnaden i hastighet mellan pelletsen och det interstellära mediet tillåter ett fartyg som kör över pelletsen och även drar energi från passagen genom det interstellära mediet för att få framdrivningsenergi även när den är snabbare än pelletsen och även när pelletsen består av inert reaktionsmassa. Den grundläggande fysiken för detta diskuteras och prestandaekvationerna och diskutera detta i samband med att använda relativt långsamma pellets (accelererade av solvinden), för att skicka ett rymdskepp till en avsevärd multipel över solvindens hastighet. Ett annat fall där små makropartiklar och en plasmavind har olika hastighet är det inre solsystemet i ekliptikans plan, där solvinden och zodiakaldammet har olika hastighetsfördelningar; detta kan erbjuda ytterligare tillämpningar av samma princip.

Arxiv – Prisvärd föregångare till ett interstellärt uppdrag

Solens fotontryck ger en livskraftig källa till dragkraft för rymdfarkoster i solsystemet. Teoretiskt skulle det också kunna möjliggöra interstellära uppdrag, men en extremt liten massa per tvärsnittsarea krävs för att övervinna solens gravitation. Vi identifierar aerografit, ett syntetiskt kolbaserat skum med en densitet på 0.18 kg m−3 (15,000 1 gånger lättare än aluminium) som ett mångsidigt material för högeffektiv framdrivning med solljus. En ihålig aerografitsfär med en skaltjocklek shl = 1 mm skulle kunna bli interstellär när den utsätts för solstrålning i det interplanetära rymden. Vid uppskjutning vid 0.5 AU från solen anländer ett aerografitskal med shl = 60 mm till Mars omloppsbana om 4.3 d och till Plutos omloppsbana om 1 år. Frigörande av en ihålig sfär av aerografit, vars skal är 0.04 µm tjockt, vid 6900 AU (den närmaste inflygningen av Parker Solar Probe) resulterar i en flykthastighet på nästan 1 km s−185 och 2 års färd till avståndet från vår närmaste stjärnan, Proxima Centauri. Den infraröda signaturen hos ett meterstort aerografitsegel kunde observeras med JWST upp till 100 AU från solen, bortom Mars omloppsbana. En ihålig sfär av aerografit, vars skal är 1 µm tjockt, med en radie på 5 m (230 m) väger 5.7 mg (2.2 g) och har en massmarginal på 55 g (1 g) för att tillåta interstellär flykt. Nyttolastmarginalen är tio gånger rymdfarkostens massa, medan nyttolasten på kemiska interstellära raketer vanligtvis är en tusendel av raketens vikt. Genom att använda 10 g (4.7 g) av denna marginal (t.ex. för miniatyrkommunikationsteknik med jorden) skulle den nå Plutos omloppsbana 2.8 år (1 år) efter interplanetär uppskjutning vid 1 AU. Förenklad kommunikation skulle möjliggöra studier av det interplanetära mediet och en sökning efter den misstänkta planeten nio, och skulle fungera som ett föregångaruppdrag till αCentauri. Vi uppskattar utvecklingskostnaderna för prototyper på 1000 miljon USD, ett pris på 10 USD per segel, och totalt < XNUMX miljoner USD inklusive lansering för ett piggyback-koncept med ett interplanetärt uppdrag.

En teknik utvecklad under sponsring av NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), Plasma Magnet, erbjuder en väg till högaccelerationsmanövrar i solvinden, inklusive snabba transiter till yttre planeter och till Solar Gravitational Lens.

AIAA Nuclear and Future Flight Propulsion Technical Committee har sponsrat en konceptuell designstudie av ett demonstrationsuppdrag, JOVE. Om man flyger skulle JOVE tillhandahålla den kritiska flygdemonstrationen av denna teknik. Den soldrivna rymdfarkosten skulle väga cirka 25 kilogram och skulle nå Jupiter på tre veckor och nå häpnadsväckande 300 kilometer per sekund. Mr. Greason gick igenom de viktigaste designutmaningarna som upptäckts under den konceptuella designen, granskade det aktuella tillståndet och diskuterade möjliga nästa steg.

Jeff Greason är en entreprenör och innovatör med 25 års erfarenhet inom den kommersiella rymdindustrin. Han är Chief Technologist of Electric Sky, utvecklar långväga trådlös kraft för framdrivning och andra ändamål; och ordförande för Tau Zero Foundation, som utvecklar avancerad framdrivningsteknik för solsystem och interstellära uppdrag. Han har varit aktiv i utvecklingen av kommersiell rymdreglering och tjänstgjorde i presidentens Augustine-kommission 2009. Jeff var en av grundarna av XCOR Aerospace och var VD från 1999 till början av 2015. Tidigare var han chef för raketmotorteamet vid Rotary Rocket och en ingenjörschef inom chipteknologiutveckling på Intel. Han har 28 amerikanska patent och har nyligen publicerat artiklar om nya rymdframdrivningskoncept. Han är också guvernör för National Space Society.