Konstnärskoncept av ett solsegeldemonstrationsuppdrag som kommer att använda lasrar för navigering. Kredit:NASA
Vi är alla bekanta med idén med solsegel för att utforska solsystemet, med hjälp av det lätta trycket från solen. Men det finns ett annat framdrivningssystem som kan utnyttja solens kraft, elektriska segel, och det är en ganska spännande idé.
Några veckor sedan, Jag tacklade en fråga som någon hade om mina favoritexotiska framdrivningssystem, och jag skramlade fram några idéer som jag tycker är spännande:solsegel, kärnvapenraketer, jonmotorer, etc. Men det finns ett annat framdrivningssystem som fortsätter att dyka upp, och jag glömde helt att nämna, men det är en av de bästa idéerna jag har hört på ett tag:elektriska segel.
Som du säkert vet, ett solsegel fungerar genom att utnyttja fotoner av ljus som strömmar från solen. Även om fotoner är masslösa, de har fart, och kan överföra det när de studsar mot en reflekterande yta.
Förutom ljus, solen blåser också av en jämn ström av laddade partiklar – solvinden. Ett team av ingenjörer från Finland, ledd av Dr Pekka Janhunen, har föreslagit att bygga ett elektriskt segel som ska använda dessa partiklar för att transportera rymdfarkoster ut i solsystemet.
För att förstå hur detta fungerar, Jag måste lägga in några begrepp i din hjärna.
Först, solen. Den där dödliga strålningsbollen på himlen. Som du säkert vet, det finns en stadig ström av laddade partiklar, främst elektroner och protoner, blixtlås från solen i alla riktningar.
Astronomer är inte helt säkra på hur, men någon mekanism i solens korona, dess övre atmosfär, accelererar dessa partiklar med en flykthastighet. Deras hastighet varierar från 250 till 750 km/s.
Solvinden färdas bort från solen, och ut i rymden. Vi ser dess effekter på kometer, ge dem deras karakteristiska svansar, och det bildar en bubbla runt solsystemet som kallas heliosfären. Det är här solvinden från solen möter de kollektiva solvindarna från de andra stjärnorna i Vintergatan.
Faktiskt, NASA:s rymdfarkost Voyager passerade nyligen genom denna region, äntligen på väg till det interstellära rymden.
Solvinden orsakar ett direkt tryck, som en riktig vind, men det är otroligt svagt, en bråkdel av det lätta tryck ett solsegel upplever.
Men solvinden är negativt laddad, och detta är nyckeln.
Ett elektriskt segel fungerar genom att rulla ut en otroligt tunn vajer, bara 25 mikron tjock, men 20 kilometer lång. Rymdfarkosten är utrustad med solpaneler och en elektronpistol som tar bara några hundra watt att köra.
Visualisering av solvinden som möter jordens magnetiska "försvar" som kallas magnetosfären. Moln av plasma som pekar söderut kan dra tillbaka lager av den solvända bubblan och stapla dem i lager på planetens nattsida (mitten, höger). Skikten kan pressas tillräckligt hårt för att återansluta och leverera solelektroner (gula gnistrar) direkt till den övre atmosfären för att skapa norrsken. Kredit:JPL
Genom att skjuta elektroner ut i rymden, rymdfarkosten upprätthåller ett mycket positivt laddat tillstånd. När de negativt laddade partiklarna från solen möter det positivt laddade tjudet, de "ser" att det är ett stort hinder 100 meter tvärs över, och krascha in i den.
Genom att ge sin fart till tjudet och rymdfarkosten, jonerna accelererar den bort från solen.
Mängden acceleration är mycket svag, men det är konstant tryck från solen och kan läggas upp under en lång tidsperiod. Till exempel, om en 1000 kg rymdfarkost hade 100 av dessa ledningar som sträcker sig ut i alla riktningar, den kunde ta emot en acceleration på 1 mm per sekund per sekund.
I den första sekunden färdas den 1 mm, och sedan 2 mm i nästa sekund, etc. Under loppet av ett år, denna rymdfarkost kan gå 30 km/s. Bara för att jämföra, den snabbaste rymdfarkosten där ute, NASA:s Voyager 1, går bara ca 17 km/s. Så, mycket snabbare, definitivt på en flykthastighet från solsystemet.
En av nackdelarna med metoden, faktiskt, är att det inte fungerar inom jordens magnetosfär. Så en elektrisk segeldriven rymdfarkost skulle behöva bäras av en traditionell raket bort från jorden innan den kunde veckla ut sitt segel och bege sig ut i rymden.
Jag är säker på att du undrar om det här är en enkel resa för att komma bort från solen, men det är det faktiskt inte. Precis som med solsegel, ett elektriskt segel kan svängas. Beroende på vilken sida av seglet solvinden slår, it either raises or lowers the spacecraft's orbit from the sun.
This artist’s concept shows the Voyager 1 spacecraft entering the space between stars. Interstellar space is dominated by plasma, ionized gas (illustrated here as brownish haze), that was thrown off by giant stars millions of years ago. Kredit:NASA
Strike the sail on one side and you raise its orbit to travel to the outer solar system. But you could also strike the other side and lower its orbit, allowing it to journey down into the inner solar system. It's an incredibly versatile propulsion system, and the sun does all the work.
Although this sounds like science fiction, there are actually some tests in the works. An Estonian prototype satellite was launched back in 2013, but its motor failed to reel out the tether. The Finnish Aalto-1 satellite was launched in June 2017, and one of its experiments is to test out an electric sail.
We should find out if the technique is viable later this year.
It's not just the Finns who are considering this propulsion system. 2015, NASA announced that they had awarded a Phase II Innovative Advanced Concepts grant to Dr. Pekka Janhunen and his team to explore how this technology could be used to reach the outer solar system in less time than other methods.
The Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, or HERTS spacecraft would extend 20 of these electric tethers outward from the center, forming a huge circular electric sail to catch the solar wind. By slowly rotating the spacecraft, the centrifugal forces will stretch the tethers out into this circular shape.
With its positive charge, each tether acts like a huge barrier to the solar wind, giving the spacecraft an effective surface area of 600 square kilometers once it launches from the Earth. As it gets farther, from Earth, fastän, its effective area increases to the equivalent of 1, 200 square km by the time it reaches Jupiter.
Artist’s illustration of NASA’s Heliopause Electrostatic Rapid Transit System. Kredit:NASA
When a solar sail starts to lose power, an electric sail just keeps accelerating. Faktiskt, it would keep accelerating out past the orbit of Uranus.
If the technology works out, the HERTS mission could reach the heliopause in just 10 years. It took Voyager 1 35 years to reach this distance, 121 astronomical units from the sun.
But what about steering? By changing the voltage on each wire as the spacecraft rotates, you could have the whole sail interact differently on one side or the other to the solar wind. You could steer the whole spacecraft like the sails on a boat.
I september 2017, a team of researchers with the Finnish Meteorological Institute announced a pretty radical idea for how they might be able to use electric sails to comprehensively explore the asteroid belt.
Instead of a single spacecraft, they proposed building a fleet of 50 separate 5-kg satellites. Each one would reel out its own 20 km-long tether and catch the sun's solar wind. Over the course of a 3-year mission, the spacecraft would travel out to the asteroid belt, and visit several different space rocks. The full fleet would probably be able to explore 300 separate objects.
Each spacecraft would be equipped with a small telescope with only a 40 mm aperture. That's about the size of a spotting scope, or half a pair of binoculars, but it would be enough to resolve features on the surface of an asteroid as small as 100 meters across. They'd also have an infrared spectrometer to be able to determine what minerals each asteroid is made of.
This image depicts the two areas where most of the asteroids in the solar system are found:the asteroid belt between Mars and Jupiter, and the trojans, two groups of asteroids moving ahead of and following Jupiter in its orbit around the sun.
That's a great way to find that $10 trillion asteroid made of solid platinum.
Because the spacecraft would be too small to communicate all the way back to Earth, they'd need to store the data on board, and then transmit everything once they came past our planet 3 years later.
The planetary scientists I've talked to love the idea of being able to survey this many different objects at the same time, and the electric sail idea is one of the most efficient methods to do it.
According to the researchers, they could do the mission for about $70 million, bringing the cost to analyze each asteroid down to about $240, 000. That would be cheap compared to any other method proposed of studying asteroids.
Space exploration uses traditional chemical rockets because they're known and reliable. Sure they have their shortcomings, but they've taken us across the solar system, to billions of kilometers away from Earth.
But there are other forms of propulsion in the works, like the electric sail. And over the coming decades, we're going to see more and more of these ideas put to the test. A fuel free propulsion system that can carry a spacecraft into the outer reaches of the solar system? Yes please.
