Een zonnezeil is een manier om een ruimtevaartuig voort te stuwen met behulp van de druk van licht en hogesnelheidsgassen (ook wel zonnelichtdruk genoemd) die door een ster worden uitgezonden. Laten we het apparaat eens nader bekijken.
Het gebruik van een zeil betekent goedkope ruimtereizen gecombineerd met een langere levensduur. Door het ontbreken van veel bewegende delen en de noodzaak om drijfgas te gebruiken, is een dergelijk schip potentieel herbruikbaar voor het afleveren van nuttige ladingen. De namen licht of fotonenzeil worden soms ook gebruikt.
Conceptverhaal
Johannes Kepler merkte eens op dat de staart van een komeet wegkijkt van de zon en suggereerde dat het de ster is die dit effect veroorzaakt. In een brief aan Galileo in 1610 schreef hij: "Voorzie het schip van een zeil dat is aangepast aan de zonnewind, en er zullen mensen zijn die deze leegte durven te verkennen." Misschien verwees hij met deze woorden precies naar het fenomeen van de "komeetstaart", hoewel publicaties over dit onderwerp enkele jaren later verschenen.
James K. Maxwell publiceerde in de jaren 60 van de 19e eeuw de theorie van het elektromagnetische veld enstraling, waarin hij aantoonde dat licht momentum heeft en dus druk kan uitoefenen op objecten. De vergelijkingen van Maxwell vormen de theoretische basis voor voortbeweging bij lichte druk. Daarom was het al in 1864 binnen en buiten de natuurkundige gemeenschap bekend dat zonlicht een impuls draagt die druk uitoefent op objecten.
Eerst demonstreerde Pyotr Lebedev experimenteel de druk van licht in 1899, en vervolgens voerden Ernest Nichols en Gordon Hull in 1901 een soortgelijk onafhankelijk experiment uit met behulp van de Nichols-radiometer.
Albert Einstein introduceerde een andere formulering, waarbij hij de gelijkwaardigheid van massa en energie erkende. Nu kunnen we eenvoudig p=E/c schrijven als de verhouding tussen impuls, energie en lichtsnelheid.
Svante Arrhenius voorspelde in 1908 de mogelijkheid van druk van zonnestraling die levende sporen over interstellaire afstanden draagt, en als gevolg daarvan het concept van panspermia. Hij was de eerste wetenschapper die beweerde dat licht objecten tussen sterren kan verplaatsen.
Friedrich Zander publiceerde een paper met een technische analyse van het zonnezeil. Hij schreef over 'het gebruik van enorme en zeer dunne spiegelplaten' en 'de druk van zonlicht om kosmische snelheden te bereiken'.
De eerste formele projecten om deze technologie te ontwikkelen begonnen in 1976 in het Jet Propulsion Laboratory voor een voorgestelde ontmoetingsmissie met Halley's Comet.
Hoe een zonnezeil werkt
Licht beïnvloedt alle voertuigen in de baan van de planeet of ininterplanetaire ruimte. Een conventioneel ruimtevaartuig dat op weg is naar Mars, zou bijvoorbeeld meer dan 1.000 km verwijderd zijn van de zon. Met deze effecten is rekening gehouden bij de planning van het ruimtevaarttraject sinds het allereerste interplanetaire ruimtevaartuig in de jaren zestig. Straling heeft ook invloed op de positie van het voertuig en met deze factor moet rekening worden gehouden bij het ontwerp van het schip. De kracht op het zonnezeil is 1 newton of minder.
Het gebruik van deze technologie is handig in interstellaire banen, waar elke actie in een laag tempo wordt uitgevoerd. De krachtvector van het lichtzeil is georiënteerd langs de lijn van de zon, waardoor de energie en het impulsmoment van de baan toenemen, waardoor het schip verder van de zon weg beweegt. Om de helling van de baan te veranderen, bevindt de krachtvector zich buiten het vlak van de snelheidsvector.
Positiecontrole
Het Attitude Control System (ACS) van een ruimtevaartuig is nodig om de gewenste positie te bereiken en te veranderen tijdens een reis door het heelal. De ingestelde positie van het apparaat verandert zeer langzaam, vaak minder dan één graad per dag in de interplanetaire ruimte. Dit proces gaat veel sneller in de banen van de planeten. Het besturingssysteem voor een voertuig dat gebruik maakt van een zonnezeil moet aan alle oriëntatie-eisen voldoen.
Controle wordt bereikt door een relatieve verschuiving tussen het drukpunt van het vat en het zwaartepunt. Dit kan worden bereikt met stuurschoepen, het verplaatsen van individuele zeilen, het verplaatsen van een stuurmassa of het veranderen van de reflecterendevaardigheden.
Staande positie vereist dat ACS het netto koppel op nul houdt. Het krachtmoment van het zeil is niet constant langs de baan. Verandert met de afstand tot de zon en de hoek, die de schacht van het zeil corrigeert en sommige elementen van de ondersteunende structuur afbuigt, wat resulteert in veranderingen in kracht en koppel.
Beperkingen
Het zonnezeil kan niet werken op een hoogte lager dan 800 km van de aarde, omdat tot deze afstand de luchtweerstand groter is dan de lichte drukkracht. Dat wil zeggen, de invloed van zonnedruk is zwak waarneembaar en het zal gewoon niet werken. De draaisnelheid van het zeilschip moet compatibel zijn met de baan, wat meestal alleen een probleem is voor draaiende schijfconfiguraties.
De bedrijfstemperatuur is afhankelijk van de zonne-afstand, hoek, reflectiviteit en radiatoren voor en achter. Het zeil kan alleen worden gebruikt waar de temperatuur binnen de materiële grenzen wordt gehouden. Het kan over het algemeen redelijk dicht bij de zon worden gebruikt, ongeveer 0,25 AU, als het schip zorgvuldig voor die omstandigheden is ontworpen.
Configuratie
Eric Drexler heeft een prototype zonnezeil gemaakt van een speciaal materiaal. Het is een frame met een paneel van dunne aluminiumfolie met een dikte van 30 tot 100 nanometer. Het zeil draait en moet constant onder druk staan. Dit type structuur heeft een hoog oppervlak per massa-eenheid en daarom:acceleratie "vijftig keer sneller" dan die op basis van inzetbare plastic films. Het is een vierkant zeil met masten en dubbele lijnen aan de donkere kant van het zeil. Vier elkaar kruisende masten en één loodrecht op het midden om de draden vast te houden.
Elektronisch ontwerp
Pekka Janhunen vond het elektrische zeil uit. Mechanisch heeft het weinig gemeen met traditioneel lichtontwerp. De zeilen worden vervangen door rechtgetrokken geleidende kabels (draden) die radiaal om het schip zijn aangebracht. Ze creëren een elektrisch veld. Het strekt zich enkele tientallen meters uit in het plasma van de omringende zonnewind. Zonne-elektronen worden gereflecteerd door het elektrische veld (zoals fotonen op een traditioneel zonnezeil). Het schip kan worden bestuurd door de elektrische lading van de draden te regelen. Het elektrische zeil heeft 50-100 gestrekte draden, ongeveer 20 km lang.
Waar is het van gemaakt?
Het materiaal dat is ontwikkeld voor het zonnezeil van Drexler is een dunne aluminiumfilm van 0,1 micrometer dik. Zoals verwacht, heeft het voldoende kracht en betrouwbaarheid getoond voor gebruik in de ruimte, maar niet voor vouwen, lanceren en inzetten.
Het meest voorkomende materiaal in moderne ontwerpen is aluminiumfolie "Kapton" van 2 micron groot. Het is bestand tegen hoge temperaturen in de buurt van de zon en is sterk genoeg.
Er waren wat theoretischespeculatie over het toepassen van moleculaire fabricagetechnieken om een geavanceerd, sterk, ultralicht zeil te maken op basis van nanobuisweefselroosters waar de geweven "gaten" minder dan de helft van de golflengte van licht zijn. Een dergelijk materiaal is alleen in het laboratorium gemaakt en de middelen voor productie op industriële schaal zijn nog niet beschikbaar.
Het lichte zeil opent geweldige perspectieven voor interstellaire reizen. Natuurlijk zijn er nog veel vragen en problemen die het hoofd moeten worden geboden voordat reizen door het universum met zo'n ruimtevaartuigontwerp een gewone zaak wordt voor de mensheid.
