Nam châm plasma sử dụng tăng vọt năng động để tăng 2% tốc độ ánh sáng

Một số khái niệm tồn tại để khai thác gió mặt trời như một phương tiện đẩy: MagSail, e-sail và nam châm plasma. Tất cả các khái niệm này hoạt động chủ yếu như các thiết bị kéo và do đó bị giới hạn ở vận tốc bằng gió mặt trời (~700 km/s), chỉ có khả năng hạn chế tạo ra lực ngang với hướng cục bộ của gió mặt trời (tức là lực nâng). Một khả năng thú vị đang được khám phá là tăng vọt động: Khai thác sự khác biệt về tốc độ gió ở hai vùng không gian khác nhau. Chim hải âu và thủy phi cơ được biết là sử dụng kỹ thuật này, bay vòng vào và ra khỏi các vùng có sức gió cắt. Birch (JBIS, 1989) đề xuất một kỹ thuật như vậy có thể được sử dụng thông qua “MHD Wing” cho các ứng dụng du hành giữa các vì sao, nhưng không khám phá thêm về khái niệm này.

Tàu vũ trụ có ăng-ten sóng plasma định hướng truyền động lượng lên môi trường liên hành tinh hoặc liên sao cục bộ, tạo ra lực tác dụng lên ăng-ten (độ nâng). Các thao tác bay vút động lặp đi lặp lại được thực hiện để trích xuất năng lượng và tăng gấp bội tốc độ của gió mặt trời để đạt được tốc độ cao hơn gấp mười lần so với tốc độ tối đa của gió mặt trời và đạt khoảng 2% tốc độ ánh sáng.

Việc phát triển khái niệm tương tác với gió mặt trời như một phương tiện đẩy sẽ yêu cầu xác nhận thực nghiệm theo từng giai đoạn, bước đầu tiên là chứng minh lực cản đáng kể đối với gió mặt trời bằng cách sử dụng cấu trúc từ tính để đẩy. Nam châm plasma dường như có hiệu suất cao nhất về mặt gia tốc của các khái niệm lực cản được xem xét trong Phần giới thiệu, do đó, trình diễn công nghệ nam châm plasma có vẻ là bước hợp lý tiếp theo. Một nghiên cứu gần đây đã đề xuất một khái niệm trình diễn khối lập phương nhỏ 16U có tên là Thí nghiệm Vận tốc Quan sát Sao Mộc (JOVE) có thể đi qua quỹ đạo của Sao Mộc chỉ 6 tháng sau khi phóng từ Trái đất. Một ứng dụng khác của công nghệ nam châm plasma cưỡi gió sẽ là minh chứng cho khả năng tiếp cận nhanh chóng khoảng cách thấu kính hấp dẫn mặt trời (SGL) (>550AU). Nghiên cứu có tên là Wind Rider Pathfinder Mission đã chỉ ra rằng khu vực SGL có thể được truy cập trong vòng chưa đầy 7 năm kể từ khi ra mắt bằng công nghệ này. Những nhiệm vụ đột phá này sẽ cung cấp xác nhận rằng năng lượng đẩy có ý nghĩa có thể được khai thác từ gió mặt trời, tạo nền tảng cho khái niệm tiên tiến hơn về khai thác năng lượng điện từ gió để tạo ra lực nâng.

Gửi kính thiên văn tới thấu kính hấp dẫn của mặt trời sẽ tăng khả năng hiển thị của kính thiên văn lên hàng tỷ lần vì nó sẽ quan sát ánh sáng hội tụ bởi mặt trời rộng gần triệu dặm. một kính viễn vọng thấu kính hấp dẫn mặt trời. Ở bước sóng quang học hoặc cận quang học, độ khuếch đại của ánh sáng lên tới 200 tỷ lần và với độ phân giải góc ấn tượng không kém. Nếu chúng ta có thể tiếp cận khu vực này bắt đầu từ 550 AU tính từ Mặt trời, chúng ta có thể thực hiện chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh. Nhiệm vụ hình ảnh là một thách thức nhưng khả thi, sử dụng các công nghệ đã có sẵn hoặc đang được phát triển tích cực. Trong các điều kiện thực tế, việc chụp ảnh các ngoại hành tinh giống Trái đất bằng megapixel trong vùng lân cận thiên hà của chúng ta chỉ cần vài tuần hoặc vài tháng thời gian tích hợp chứ không phải hàng năm như suy nghĩ trước đây.

Nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu gửi các kính thiên văn dài một mét ra xa hơn khoảng 865000 lần so với sao Diêm Vương để sử dụng lực hấp dẫn của ánh sáng bẻ cong mặt trời. Mặt trời dài 109 dặm, rộng hơn trái đất 3 lần. Lực hấp dẫn cho phép bạn tận dụng mặt trời như một bộ thu ánh sáng khổng lồ. Chúng ta có thể đi xa Trái đất XNUMX ngày ánh sáng và chụp ảnh các hành tinh trong các hệ mặt trời khác. Nó sẽ giống như chúng ta đã gửi một tàu thăm dò vào hệ mặt trời khác.

Nếu phương pháp này hoạt động, chúng ta có thể khám phá các hệ mặt trời khác vào những năm 2030.

Cách tiếp cận này được xây dựng dựa trên khái niệm về một ổ đĩa đẩy được cung cấp bởi áp suất động bên ngoài [cái gọi là ổ đĩa q (Greason, 2019)], tuy nhiên, trong khái niệm hiện tại, không có khối lượng phản ứng tích hợp nào được sử dụng. Bằng cách sử dụng nguồn điện bên ngoài để tăng tốc vật chất có sẵn trong gió mặt trời vuông góc với dòng chảy qua phương tiện, lực nâng được tạo ra có cường độ lớn hơn lực cản do quá trình khai thác năng lượng tạo ra. Kết quả là một loại cánh tạo ra lực nâng, nhưng không có cấu trúc vật lý. Trong Phần 2, các nguyên tắc hoạt động của cơ chế tạo lực nâng này được phát triển chi tiết. Trong Phần 3, các khái niệm nhiệm vụ tiềm năng được phát triển bằng cách sử dụng các vùng có độ đứt gió cao có sẵn trong Hệ Mặt trời, cụ thể là giao diện giữa gió mặt trời nhanh (cực) và chậm (xích đạo) và cú sốc kết thúc khi gió mặt trời chuyển từ siêu âm sang dòng chảy cận âm, để đạt vận tốc ≈2% của c.

Một số cấu trúc trong Hệ Mặt trời cung cấp độ dốc gió đủ lớn để cơ động bay vút lên để khai thác năng lượng. Những cấu trúc như vậy bao gồm nhưng không giới hạn ở: cú sốc kết thúc, nhật ký, gió mặt trời chậm và nhanh và ranh giới của từ quyển hành tinh. Mặc dù mật độ của các cấu trúc này khác nhau, nhưng việc phân tích các thiết bị kéo như nam châm plasma đã chỉ ra rằng phạm vi của từ quyển được tạo ra nhân tạo xung quanh phương tiện mở rộng một cách tự nhiên khi mật độ xung quanh giảm. Cụ thể, cấu trúc từ tính xung quanh tàu vũ trụ sẽ mở rộng cho đến khi áp suất từ ​​trường khớp với áp suất động của gió mặt trời. Hiệu ứng này làm cho các thiết bị như nam châm plasma bị kéo gần như không đổi khi chúng di chuyển ra ngoài Mặt trời. Với mục đích phân tích trong bài báo này, chúng tôi đã sử dụng các giá trị lực cản không đổi và do lực nâng được tạo ra bắt nguồn từ chuyển động của thiết bị kéo qua plasma, nên các giá trị lực nâng không đổi cũng vậy.

Một phương tiện (hoặc con chim) thực hiện một va chạm đàn hồi khi đi vào luồng không khí đang chuyển động thông qua thao tác di chuyển trên bờ có lực cản thấp. Khi phương tiện quay trở lại vùng không khí yên tĩnh, nó đã tăng gấp đôi vận tốc của luồng gió. Sau đó, di chuyển trong không khí yên tĩnh, phương tiện có thể quay trở lại luồng gió và tăng vận tốc trở lại, lặp đi lặp lại thao tác này cho đến khi tổn thất lực cản chống lại mức tăng vận tốc và đạt được vận tốc tối đa. Gần đây, những người đam mê tàu lượn điều khiển từ xa đã đạt được vận tốc đáng kinh ngạc vượt quá 850 km/giờ—xấp xỉ 10 lần tốc độ gió—bằng cách sử dụng kỹ thuật này với tàu lượn không có động cơ đẩy bên trong.

Một tàu vũ trụ có thể tương tác với các luồng khí bị ion hóa trong không gian (gió mặt trời hoặc môi trường giữa các vì sao) để được gia tốc tới vận tốc lớn hơn vận tốc dòng chảy. Lấy cảm hứng từ các thao tác bay vút linh hoạt được thực hiện bởi các loài chim biển và tàu lượn, trong đó sự khác biệt về tốc độ gió được khai thác để đạt được vận tốc, trong kỹ thuật được đề xuất, một tàu vũ trụ tạo ra lực nâng bay vòng quanh giữa các vùng của nhật quyển có tốc độ gió khác nhau, thu năng lượng trong quá trình này không sử dụng nhiên liệu đẩy và chỉ yêu cầu năng lượng tích hợp khiêm tốn.

Trong phân tích đơn giản nhất, chuyển động của tàu vũ trụ có thể được mô hình hóa như một loạt va chạm đàn hồi giữa các vùng của môi trường chuyển động với các tốc độ khác nhau. Các mô hình chi tiết hơn về quỹ đạo của tàu vũ trụ được phát triển để dự đoán mức tăng vận tốc tiềm năng và vận tốc tối đa có thể đạt được theo tỷ lệ lực nâng trên lực cản của phương tiện. Một cơ chế tạo lực nâng được đề xuất trong đó năng lượng được lấy từ dòng chảy qua phương tiện theo hướng bay và sau đó được sử dụng để tăng tốc môi trường xung quanh theo hướng ngang, tạo ra lực nâng (nghĩa là lực vuông góc với dòng chảy). Các giá trị lớn của tỷ lệ lực nâng trên lực cản được chứng minh là có thể xảy ra trong trường hợp vận tốc ngang nhỏ được truyền trên một diện tích tương tác lớn. Yêu cầu về diện tích tương tác lớn với mật độ cực thấp của nhật quyển ngăn cản việc sử dụng cánh vật lý, nhưng việc sử dụng sóng plasma được tạo ra bởi một ăng ten định hướng, nhỏ gọn để truyền động lượng lên môi trường xung quanh là khả thi, với sự kích thích của Sóng R, sóng X, sóng Alfven và sóng từ trường xuất hiện như những ứng cử viên đầy triển vọng. Một sứ mệnh khái niệm được xác định trong đó việc tăng vọt động được thực hiện dựa trên cú sốc kết thúc của nhật quyển, cho phép tàu vũ trụ đạt tốc độ gần 2% c trong vòng hai năm rưỡi kể từ khi phóng mà không cần sử dụng nhiên liệu đẩy. Kỹ thuật này có thể bao gồm giai đoạn đầu tiên cho một nhiệm vụ nhiều giai đoạn để đạt được chuyến bay giữa các vì sao thực sự đến các hệ mặt trời khác.

Cánh buồm mặt trời là ví dụ đầu tiên về công nghệ đẩy sử dụng các photon có sẵn miễn phí phát ra từ Mặt trời, nhưng ngay cả buồm mặt trời khắc nghiệt nhất—được phóng từ gần Mặt trời bằng cách sử dụng vật liệu có nhiệt độ cao nhất với mật độ diện tích thấp nhất (ví dụ: aerographite)— sẽ chỉ có khả năng đạt được 2% c (Heller et al., 2020); các cánh buồm mặt trời thông thường hơn được giới hạn ở mức dưới 0.5% c (Davyan et al., 2021). Gần đây, Lingam và Loeb (Lingam và Loeb, 2020) đã kiểm tra các vật thể vật lý thiên văn (ví dụ: các ngôi sao khối lượng lớn, siêu tân tinh, v.v.) cho phép một cánh buồm ánh sáng được bức xạ đẩy đạt được vận tốc bằng 10% c hoặc lớn hơn, nhưng điều này vẫn còn để lại vấn đề làm thế nào công nghệ con người có nguồn gốc từ Hệ Mặt trời có thể đạt được chuyến bay giữa các vì sao.