Işık Hızının %2'sine Çıkmak için Dinamik Yükselmeyi Kullanan Plazma Mıknatıslar

Güneş rüzgarını bir itiş aracı olarak kullanmak için bir dizi kavram mevcuttur: MagSail, e-yelken ve plazma mıknatısı. Bu kavramların tümü ağırlıklı olarak sürükleme cihazları olarak çalışır ve bu nedenle güneş rüzgarına eşit hızlarla (~700 km/s) sınırlıdır ve yalnızca güneş rüzgarının yerel yönüne çapraz kuvvet (yani kaldırma kuvveti) üretme yeteneği sınırlıdır. Keşfedilmesi gereken ilginç bir olasılık dinamik süzülmedir: Uzayın iki farklı bölgesindeki rüzgar hızı farkından yararlanmak. Albatrosların ve planörlerin, rüzgarın kesildiği bölgelerin içine ve dışına doğru dönerek bu tekniği kullandıkları biliniyor. Birch (JBIS, 1989), böyle bir tekniğin yıldızlararası seyahat uygulamaları için bir "MHD Kanadı" aracılığıyla kullanılabileceğini öne sürdü, ancak konsepti daha fazla araştırmadı.

Yerel gezegenler arası veya yıldızlararası ortama momentum vererek anten üzerinde bir kuvvet (kaldırma) oluşturan, yönlü plazma dalga antenine sahip bir uzay aracı. Enerjiyi çıkarmak ve güneş rüzgarının maksimum hızının on katına kadar hızlara ulaşmak ve ışık hızının yaklaşık %2'sine ulaşmak için güneş rüzgarının hızının katlarını kazanmak için tekrarlanan dinamik süzülme manevraları yapılır.

Bir itiş aracı olarak güneş rüzgarı ile etkileşime girme konseptinin geliştirilmesi, aşamalar halinde deneysel doğrulamayı gerektirecektir; bunlardan ilki, itiş için manyetik bir yapı kullanılarak güneş rüzgârına karşı önemli bir sürüklenmenin gösterilmesi olacaktır. Plazma mıknatısı, Giriş bölümünde incelenen sürükleme kavramlarının hızlanmaları açısından en yüksek performansa sahip gibi görünmektedir, dolayısıyla bir plazma mıknatıs teknolojisi gösterimi bir sonraki mantıksal adım gibi görünmektedir. Yakın zamanda yapılan bir araştırma, Dünya'dan fırlatıldıktan sadece 16 ay sonra Jüpiter'in yörüngesinden geçebilecek, Jüpiter Gözlem Hızı Deneyi (JOVE) adı verilen küçük, 6U küp uydu gösterici konseptini önerdi. Rüzgarla çalışan plazma mıknatıs teknolojisinin bir başka uygulaması, güneş yerçekimi merceği (SGL) mesafesine (>550AU) hızlı erişimin gösterilmesi olacaktır. Wind Rider Pathfinder Mission adı verilen çalışma, bu teknoloji kullanılarak SGL bölgesine lansmandan itibaren 7 yıldan daha kısa bir sürede erişilebileceğini gösterdi. Bu çığır açan görevler, güneş rüzgarından anlamlı itici güç elde edilebileceğinin doğrulanmasını sağlayacak ve asansör üretimi için rüzgardan elektrik enerjisi elde etmeye yönelik daha gelişmiş bir konsept için bir temel oluşturacak.

Teleskopları güneş kütleçekim merceğine göndermek, bir teleskobun görselleştirme yeteneklerini milyarlarca kez artıracaktır çünkü teleskop, neredeyse bir milyon mil genişliğindeki güneş tarafından odaklanan ışığa bakacaktır. güneş kütleçekimsel mercek teleskopu. Optik veya optiğe yakın dalga boylarında, ışığın amplifikasyonu 200 milyar kat civarındadır ve aynı derecede etkileyici açısal çözünürlüktedir. Eğer bu bölgeye Güneş'ten 550 AU'dan itibaren ulaşabilirsek, dış gezegenlerin doğrudan görüntülenmesini gerçekleştirebiliriz. Halihazırda mevcut olan veya aktif olarak geliştirilmekte olan teknolojileri kullanan bir görüntüleme görevi zorlu ancak uygulanabilir. Gerçekçi koşullar altında, galaktik mahallemizdeki Dünya benzeri ötegezegenlerin megapiksel görüntülemesi, önceden düşünüldüğü gibi yıllar değil, yalnızca haftalar veya aylar süren entegrasyon süresi gerektirir.

Ekip, güneşi büken ışığın yerçekimini kullanmak için Plüton'un yaklaşık yirmi katı kadar uzağa bir metrelik teleskoplar göndermeyi araştırıyor. Güneş 865000 mildir ve dünyadan 109 kat daha geniştir. Yerçekimi, güneşi dev bir ışık toplayıcı olarak kullanmanıza olanak tanır. Dünya'dan 3 ışık günü uzağa gidebilir ve diğer güneş sistemlerindeki gezegenleri görüntüleyebiliriz. Sanki diğer güneş sistemine bir sonda göndermişiz gibi olur.

Eğer bu yöntem işe yararsa 2030'larda diğer güneş sistemlerini keşfediyor olabiliriz.

Bu yaklaşım, harici dinamik basınçla desteklenen bir itici tahrik konseptine dayanmaktadır [q-tahrik (Greason, 2019)] olarak anılmaktadır, ancak mevcut konseptte herhangi bir yerleşik reaksiyon kütlesi kullanılmamaktadır. Araç üzerindeki akışa dik olarak güneş rüzgarında bulunan maddeyi hızlandırmak için harici güç üretimi kullanılarak, güç çıkarma işlemi tarafından üretilen dirençten daha büyük bir kaldırma kuvveti üretilir. Sonuç, bir tür kaldırma kuvveti üreten kanattır, ancak fiziksel bir yapıya sahip değildir. Bölüm 2'de bu asansör üretme mekanizmasının çalışma prensipleri ayrıntılı olarak geliştirilmiştir. Bölüm 3'te, Güneş Sisteminde mevcut olan yüksek rüzgar kayması bölgeleri, yani hızlı (kutupsal) ve yavaş (ekvator) güneş rüzgarı ile güneş rüzgarının süpersonik durumdan geri döndüğü sonlandırma şoku arasındaki arayüz kullanılarak potansiyel görev kavramları geliştirilmiştir. ses altı akış, c'nin ≈%2'si hızlara ulaşmak için.

Güneş Sistemindeki çeşitli yapılar, enerji elde etmek amacıyla dinamik süzülme manevralarına yetecek kadar büyük rüzgar eğimleri sunar. Bu tür yapılar, bunlarla sınırlı olmamak üzere şunları içerir: sonlandırma şoku, heliopoz, yavaş ve hızlı güneş rüzgarı ve gezegen manyetosferinin sınırı. Bu yapıların yoğunluğu değişmekle birlikte, plazma mıknatısı gibi sürükleme cihazlarının analizi, aracın etrafında yapay olarak oluşturulan manyetosferin boyutunun, çevredeki yoğunluk azaldıkça doğal olarak genişlediğini göstermiştir. Spesifik olarak, uzay aracının etrafındaki manyetik yapı, manyetik basınç güneş rüzgarının dinamik basıncıyla eşleşene kadar genişleyecektir. Bu etki, plazma mıknatısı gibi cihazların Güneş'ten dışarıya doğru hareket ederken neredeyse sabit bir sürüklenmeye sahip olmasını sağlar. Bu makaledeki analizin amaçları doğrultusunda, sabit sürükleme değerlerini benimsedik ve üretilen kaldırma gücü, sürükleme cihazının plazma içindeki hareketinden kaynaklandığından sabit kaldırma değerlerini de benimsedik.

Bir araç (veya kuş), düşük sürtünmeli bir yatış manevrası yoluyla hareketli hava akışına girerken elastik bir çarpışma gerçekleştirir. Araç sakin havaya yeniden girdiğinde rüzgar akışının iki katı hız kazandı. Daha sonra sakin havada yana yatarak araç rüzgar akışına yeniden girebilir ve hızını tekrar artırabilir, sürtünme kayıpları hız kazanımlarını dengeleyene ve maksimum hıza ulaşılana kadar manevrayı defalarca tekrarlayabilir. Son zamanlarda, uzaktan kumandalı planör meraklıları, bu tekniği araç üzerinde itiş gücü olmayan planörlerle uygulayarak 850 km/saat'i (rüzgar hızının yaklaşık 10 katı) aşan olağanüstü hızlara ulaştılar.

Bir uzay aracı, akış hızından daha yüksek hızlara hızlandırılmak için uzaydaki iyonize gaz akışlarıyla (güneş rüzgarı veya yıldızlararası ortam) etkileşime girebilir. Hız kazanmak için rüzgar hızı farklılıklarından yararlanılan deniz kuşları ve planörler tarafından gerçekleştirilen dinamik süzülme manevralarından ilham alan önerilen teknikte, kaldırma kuvveti üreten bir uzay aracı, heliosferin farklı rüzgar hızlarına sahip bölgeleri arasında daireler çizerek bu süreçte enerji kazanıyor. itici gaz kullanılmadan ve yalnızca mütevazı yerleşik güç gereksinimleriyle.

En basit analizde, uzay aracının hareketi, ortamın farklı hızlarda hareket eden bölgeleri arasındaki bir dizi elastik çarpışma olarak modellenebilir. Uzay aracı yörüngesinin daha ayrıntılı modelleri, potansiyel hız kazanımlarını ve aracın kaldırma-sürükleme oranı açısından elde edilebilecek maksimum hızı tahmin etmek için geliştirilir. Gücün uçuş yönünde araç üzerindeki akıştan alındığı ve daha sonra çevredeki ortamı enine yönde hızlandırmak için kullanıldığı ve kaldırma kuvveti (yani akışa dik bir kuvvet) oluşturduğu bir kaldırma oluşturma mekanizması önerilmiştir. Geniş bir etkileşim alanı üzerinde küçük bir enine hızın verildiği durumda, kaldırma-sürükleme oranının büyük değerlerinin mümkün olduğu gösterilmiştir. Heliosferin son derece düşük yoğunluğunda geniş bir etkileşim alanı gerekliliği, fiziksel bir kanadın kullanımını engeller, ancak kompakt, yönlü bir anten tarafından üretilen plazma dalgalarının çevredeki ortama momentum kazandırmak için kullanılması, R-dalgaları, X-dalgaları, Alfven dalgaları ve manyetosonik dalgalar umut verici adaylar olarak görünmektedir. Heliosferin sonlanma şoku üzerinde dinamik süzülmenin gerçekleştirildiği, bir uzay aracının itici gaz harcamadan fırlatılmasından itibaren iki buçuk yıl içinde c'nin %2'sine yaklaşan hızlara ulaşmasını sağlayan kavramsal bir görev tanımlanır. Teknik, diğer güneş sistemlerine doğru gerçek yıldızlararası uçuşu gerçekleştirmeye yönelik çok aşamalı bir görevin ilk aşamasını içerebilir.

Güneş yelkenleri, Güneş'ten yayılan serbestçe bulunabilen fotonları kullanan bir itme teknolojisinin ilk örneğidir, ancak en uç güneş yelkeni bile - en düşük alan yoğunluğuna sahip en yüksek sıcaklıktaki malzemeleri (örneğin, aerografit) kullanarak Güneş'in yakınından fırlatılır. c'nin yalnızca %2'sini elde edebilecektir (Heller ve diğerleri, 2020); daha geleneksel güneş yelkenleri c'nin %0.5'inden daha azıyla sınırlıdır (Davoyan ve diğerleri, 2021). Son zamanlarda Lingam ve Loeb (Lingam ve Loeb, 2020), radyasyonla itilen bir hafif yelkenin c'nin %10'u veya daha yüksek hızlara ulaşmasına izin verecek astrofiziksel nesneleri (örneğin, büyük yıldızlar, süpernovalar vb.) incelediler, ancak bu hala Güneş Sisteminden kaynaklanan insan teknolojisinin yıldızlararası uçuşu nasıl başarabileceği sorununu bırakıyor.