Plasma Magnets ใช้ Dynamic Soaring เพื่อไป 2% ของความเร็วแสง

มีแนวคิดหลายประการในการใช้ประโยชน์จากลมสุริยะเป็นวิธีการขับเคลื่อน: MagSail, e-sail และพลาสมาแม่เหล็ก แนวคิดทั้งหมดนี้ทำงานเป็นอุปกรณ์ลากเป็นหลัก และด้วยเหตุนี้จึงจำกัดความเร็วเท่ากับลมสุริยะ (~700 กม./วินาที) โดยมีความสามารถจำกัดในการสร้างแรงตัดขวางไปยังทิศทางเฉพาะของลมสุริยะ (เช่น แรงยก) ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจที่จะได้รับการสำรวจคือการทะยานแบบไดนามิก: การใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของความเร็วลมในพื้นที่สองแห่งที่แตกต่างกัน เป็นที่รู้กันว่าอัลบาทรอสและเครื่องบิน Sailplane ใช้เทคนิคนี้ โดยบินวนเข้าและออกจากบริเวณที่มีแรงเฉือนลม เบิร์ช (JBIS, 1989) แนะนำว่าเทคนิคดังกล่าวสามารถใช้ผ่าน "ปีก MHD" สำหรับการใช้งานการเดินทางระหว่างดวงดาว แต่ไม่ได้สำรวจแนวคิดนี้เพิ่มเติม

ยานอวกาศที่มีเสาอากาศแบบคลื่นพลาสมากำหนดทิศทางซึ่งส่งโมเมนตัมไปยังตัวกลางระหว่างดาวเคราะห์หรือระหว่างดวงดาวในท้องถิ่น ทำให้เกิดแรงบนเสาอากาศ (แรงยก) การซ้อมรบแบบไดนามิกซ้ำๆ ถูกสร้างขึ้นเพื่อดึงพลังงานและเพิ่มความเร็วลมสุริยะเป็นทวีคูณ เพื่อให้ได้ความเร็วที่สูงกว่าความเร็วสูงสุดของลมสุริยะถึงสิบเท่า และไปถึงประมาณ 2% ของความเร็วแสง

การพัฒนาแนวคิดเรื่องการมีปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะในฐานะเครื่องมือขับเคลื่อนจะต้องมีการตรวจสอบการทดลองเป็นระยะ โดยขั้นแรกคือการสาธิตการลากต้านลมสุริยะอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้โครงสร้างแม่เหล็กในการขับเคลื่อน แม่เหล็กพลาสมาดูเหมือนจะมีประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของความเร่งของแนวคิดการลากที่ได้รับการตรวจสอบในบทนำ ดังนั้นการสาธิตเทคโนโลยีแม่เหล็กพลาสมาจึงดูเหมือนจะเป็นขั้นตอนตรรกะถัดไป การศึกษาล่าสุดได้เสนอแนวคิดเครื่องสาธิตลูกบาศก์แซตขนาดเล็ก 16U ที่เรียกว่า Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) ซึ่งสามารถเคลื่อนผ่านวงโคจรของดาวพฤหัสบดีเพียง 6 เดือนหลังจากปล่อยออกจากโลก การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีแม่เหล็กพลาสมาที่ใช้ลมขับเคลื่อนอีกประการหนึ่งคือการสาธิตการเข้าถึงระยะห่างของเลนส์โน้มถ่วงแสงอาทิตย์ (SGL) อย่างรวดเร็ว (>550AU) การศึกษานี้มีชื่อว่า Wind Rider Pathfinder Mission แสดงให้เห็นว่าภูมิภาค SGL สามารถเข้าถึงได้ภายในเวลาไม่ถึง 7 ปีนับจากเปิดตัวโดยใช้เทคโนโลยีนี้ ภารกิจที่แหวกแนวเหล่านี้จะให้การรับรองว่าพลังขับเคลื่อนอันมีความหมายสามารถดึงออกมาจากลมสุริยะได้ ซึ่งเป็นรากฐานสำหรับแนวคิดขั้นสูงในการแยกพลังงานไฟฟ้าจากลมเพื่อผลิตลิฟต์

การส่งกล้องโทรทรรศน์ไปยังเลนส์โน้มถ่วงจากแสงอาทิตย์จะช่วยเพิ่มความสามารถในการมองเห็นของกล้องโทรทรรศน์นับพันล้านครั้ง เนื่องจากมันจะมองไปยังแสงที่ถูกโฟกัสโดยดวงอาทิตย์ที่มีความกว้างเกือบล้านไมล์ กล้องโทรทรรศน์เลนส์โน้มถ่วงจากแสงอาทิตย์ ที่ความยาวคลื่นแสงหรือใกล้แสง การขยายแสงจะอยู่ที่ 200 พันล้านเท่าและมีความละเอียดเชิงมุมที่น่าประทับใจไม่แพ้กัน หากเราสามารถไปถึงบริเวณนี้เริ่มต้นที่ 550 AU จากดวงอาทิตย์ เราก็สามารถถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบได้โดยตรง ภารกิจด้านการถ่ายภาพเป็นสิ่งที่ท้าทายแต่เป็นไปได้ โดยใช้เทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วหรืออยู่ระหว่างการพัฒนา ภายใต้สภาวะที่สมจริง การถ่ายภาพเมกะพิกเซลของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่มีลักษณะคล้ายโลกในย่านดาราจักรของเราต้องใช้เวลาการรวมตัวเพียงไม่กี่สัปดาห์หรือเป็นเดือน ไม่ใช่หลายปีอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้

ทีมงานกำลังสืบสวนการส่งกล้องโทรทรรศน์ 865000 เมตรออกไปไกลกว่าดาวพลูโตประมาณ 109 เท่า เพื่อใช้แรงโน้มถ่วงของแสงที่หักล้างดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 ไมล์ ซึ่งกว้างกว่าโลก XNUMX เท่า แรงโน้มถ่วงช่วยให้คุณใช้ประโยชน์จากดวงอาทิตย์ในฐานะนักสะสมแสงขนาดยักษ์ เราสามารถอยู่ห่างจากโลกได้ XNUMX วันแสงและถ่ายภาพดาวเคราะห์ในระบบสุริยะอื่นได้ มันเหมือนกับว่าเราส่งยานสำรวจไปยังระบบสุริยะอีกระบบหนึ่ง

หากวิธีนี้ใช้ได้ผล เราก็จะสามารถสำรวจระบบสุริยะอื่นๆ ได้ในช่วงทศวรรษ 2030

แนวทางนี้สร้างขึ้นจากแนวคิดของระบบขับเคลื่อนแบบขับเคลื่อนซึ่งขับเคลื่อนโดยแรงดันไดนามิกภายนอก [ที่เรียกว่า q-drive (Greason, 2019)] อย่างไรก็ตาม ในแนวคิดปัจจุบัน ไม่มีการใช้มวลปฏิกิริยาออนบอร์ด ด้วยการใช้การผลิตพลังงานจากภายนอกเพื่อเร่งสสารที่มีอยู่ในลมสุริยะที่ตั้งฉากกับการไหลเหนือยานพาหนะ แรงยกจึงถูกสร้างขึ้นที่มีขนาดมากกว่าแรงดึงที่เกิดจากกระบวนการสกัดพลังงาน ผลลัพธ์ที่ได้คือปีกประเภทหนึ่งที่สร้างแรงยก แต่ไม่มีโครงสร้างทางกายภาพ ในส่วนที่ 2 มีการพัฒนาหลักการทำงานของกลไกการสร้างลิฟต์นี้โดยละเอียด ในส่วนที่ 3 แนวคิดภารกิจที่เป็นไปได้ได้รับการพัฒนาโดยใช้บริเวณที่มีแรงเฉือนลมสูงที่มีอยู่ในระบบสุริยะ กล่าวคือ ส่วนต่อประสานระหว่างลมสุริยะที่เร็ว (ขั้วโลก) และลมช้า (เส้นศูนย์สูตร) ​​และแรงกระแทกที่ปลายซึ่งลมสุริยะเปลี่ยนจากความเร็วเหนือเสียงเป็น การไหลแบบเปรี้ยงปร้าง เพื่อให้ได้ความเร็ว µ2% ของ c

โครงสร้างหลายแห่งในระบบสุริยะเสนอการไล่ระดับลมที่ใหญ่เพียงพอสำหรับการเคลื่อนที่ทะยานแบบไดนามิกเพื่อดึงพลังงาน โครงสร้างดังกล่าวรวมถึงแต่ไม่จำกัดเฉพาะ: การกระแทกที่จุดสิ้นสุด เฮลิโอพอส ลมสุริยะที่ช้าและเร็ว และขอบเขตของสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ แม้ว่าความหนาแน่นของโครงสร้างเหล่านี้จะแตกต่างกันไป การวิเคราะห์อุปกรณ์ลาก เช่น แม่เหล็กพลาสมา ได้แสดงให้เห็นว่าขอบเขตของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยธรรมชาติรอบ ๆ ยานพาหนะจะขยายออกตามธรรมชาติเมื่อความหนาแน่นโดยรอบลดลง โดยเฉพาะโครงสร้างแม่เหล็กรอบยานอวกาศจะขยายตัวจนกว่าแรงดันแม่เหล็กจะตรงกับแรงดันไดนามิกของลมสุริยะ ผลกระทบนี้ทำให้อุปกรณ์อย่างเช่นแม่เหล็กพลาสมาลากเกือบตลอดเวลาขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ออกจากดวงอาทิตย์ สำหรับวัตถุประสงค์ของการวิเคราะห์ในบทความนี้ เราได้นำค่าคงที่ของการลากมาใช้ และเนื่องจากกำลังยกที่สร้างขึ้นมาจากการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ลากผ่านพลาสมา ค่าคงที่ของแรงยกก็เช่นกัน

ยานพาหนะ (หรือนก) ทำการชนแบบยืดหยุ่นเมื่อเข้าสู่กระแสลมที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านการซ้อมรบแบบลากต่ำ ขณะที่ยานพาหนะกลับเข้าสู่อากาศที่สงบนิ่ง มันก็มีความเร็วลมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เมื่อเคลื่อนตัวไปในอากาศที่สงบนิ่ง ยานพาหนะจะสามารถกลับเข้าสู่กระแสลมอีกครั้งและเพิ่มความเร็วอีกครั้ง โดยเคลื่อนที่ซ้ำแล้วซ้ำอีกจนกว่าการสูญเสียแรงต้านจะขัดขวางความเร็วที่เพิ่มขึ้นและบรรลุความเร็วสูงสุด เมื่อเร็วๆ นี้ ผู้ชื่นชอบเครื่องร่อนควบคุมระยะไกลมีความเร็วที่น่าทึ่งเกินกว่า 850 กม./ชม. หรือประมาณ 10 เท่าของความเร็วลม โดยการใช้เทคนิคนี้กับเครื่องร่อนที่ไม่มีแรงขับบนเครื่อง

ยานอวกาศสามารถโต้ตอบกับการไหลของก๊าซไอออไนซ์ในอวกาศ (ลมสุริยะหรือตัวกลางระหว่างดวงดาว) เพื่อเร่งความเร็วให้มีความเร็วมากกว่าความเร็วการไหล ได้รับแรงบันดาลใจจากการซ้อมรบแบบไดนามิกที่ดำเนินการโดยนกทะเลและเครื่องร่อนซึ่งใช้ความเร็วลมที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ความเร็ว ในเทคนิคที่เสนอนี้ยานอวกาศที่สร้างลิฟต์จะบินเป็นวงกลมระหว่างบริเวณของเฮลิโอสเฟียร์ที่มีความเร็วลมต่างกัน และได้รับพลังงานในกระบวนการ โดยไม่ต้องใช้จรวดและมีความต้องการพลังงานออนบอร์ดเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ในการวิเคราะห์ที่ง่ายที่สุด การเคลื่อนที่ของยานอวกาศสามารถจำลองเป็นการชนกันแบบยืดหยุ่นระหว่างบริเวณต่างๆ ของตัวกลางที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกัน แบบจำลองวิถียานอวกาศที่มีรายละเอียดเพิ่มเติมได้รับการพัฒนาเพื่อทำนายความเร็วที่อาจเกิดขึ้นและความเร็วสูงสุดที่อาจเกิดขึ้นได้ในแง่ของอัตราส่วนการยกต่อการลากของยานพาหนะ กลไกการสร้างแรงยกถูกเสนอโดยกำลังดึงออกมาจากการไหลเหนือยานพาหนะในทิศทางการบิน จากนั้นใช้เพื่อเร่งความเร็วตัวกลางที่อยู่รอบๆ ในทิศทางตามขวาง ทำให้เกิดแรงยก (กล่าวคือ แรงตั้งฉากกับการไหล) ค่าขนาดใหญ่ของอัตราส่วนการยกต่อการลากจะแสดงให้เป็นไปได้ในกรณีที่ความเร็วตามขวางเล็กน้อยถูกส่งผ่านพื้นที่ปฏิสัมพันธ์ขนาดใหญ่ ข้อกำหนดสำหรับพื้นที่ปฏิสัมพันธ์ขนาดใหญ่ในความหนาแน่นต่ำมากของเฮลิโอสเฟียร์นั้นขัดขวางการใช้ปีกทางกายภาพ แต่การใช้คลื่นพลาสมาที่เกิดจากเสาอากาศที่มีทิศทางขนาดกะทัดรัดเพื่อให้โมเมนตัมบนตัวกลางโดยรอบนั้นเป็นไปได้ โดยมีการกระตุ้นของ คลื่น R, คลื่น X, คลื่น Alfven และคลื่นแมกนีโทโซนิกที่ปรากฏเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้ม ภารกิจเชิงแนวคิดถูกกำหนดโดยการบินทะยานแบบไดนามิกบนชั้นบรรยากาศสุดขั้วของเฮลิโอสเฟียร์ ซึ่งช่วยให้ยานอวกาศสามารถเข้าถึงความเร็วที่ใกล้ถึง 2% ของ c ภายในสองปีครึ่งหลังจากการปล่อยตัวโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายของจรวด เทคนิคนี้อาจประกอบด้วยขั้นตอนแรกสำหรับภารกิจหลายขั้นตอนเพื่อให้บรรลุการบินระหว่างดวงดาวอย่างแท้จริงไปยังระบบสุริยะอื่น

ใบเรือสุริยะเป็นตัวอย่างแรกของเทคโนโลยีขับเคลื่อนที่ใช้โฟตอนที่มีอยู่อย่างอิสระที่เล็ดลอดออกมาจากดวงอาทิตย์ แต่ถึงแม้จะเป็นใบเรือสุริยะที่รุนแรงที่สุด—เปิดตัวจากใกล้ดวงอาทิตย์โดยใช้วัสดุที่มีอุณหภูมิสูงสุดโดยมีความหนาแน่นของพื้นที่ต่ำที่สุด (เช่น แอโรกราไฟท์)— จะสามารถบรรลุถึง 2% ของ c เท่านั้น (Heller et al., 2020) ใบเรือสุริยะแบบทั่วไปถูกจำกัดไว้ที่น้อยกว่า 0.5% ของ c (Dovoyan et al., 2021) เมื่อเร็วๆ นี้ Lingam และ Loeb (Lingam and Loeb, 2020) ได้ตรวจสอบวัตถุทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (เช่น ดาวมวลสูง ซูเปอร์โนวา ฯลฯ) ที่จะยอมให้แสงแล่นที่ถูกผลักด้วยการแผ่รังสีจะมีความเร็ว 10% ของ c หรือมากกว่า แต่ยังคงเป็นเช่นนั้น ทิ้งปัญหาว่าเทคโนโลยีของมนุษย์ที่มีต้นกำเนิดมาจากระบบสุริยะสามารถบรรลุการบินระหว่างดวงดาวได้อย่างไร