Vi är alla bekanta med idén om solseglar för att utforska solsystemet med hjälp av ljustrycket från solen. Men det finns ett annat framdrivningssystem som kan utnyttja solens kraft, elektriska segel, och det är en ganska spännande idé.
För några veckor sedan tog jag upp en fråga som någon hade om mina exotiska exotiska framdrivningssystem, och jag skrattade av några idéer som jag tycker är spännande: solseglar, kärnraketer, jonmotorer etc. Men det finns ett annat framdrivningssystem som fortsätter att komma 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, fungerar ett solsegel genom att utnyttja fotonerna av ljus som strömmar från solen. Även om fotoner är masslösa har de fart och kan överföra det när de studsar från en reflekterande yta.
Förutom ljus blåser solen också av en stadig ström av laddade partiklar - solvinden. Ett team av ingenjörer från Finland, under ledning av Dr. Pekka Janhunen, har föreslagit att bygga ett elektriskt segel som kommer att använda dessa partiklar för att transportera rymdskepp ut i solsystemet.
För att förstå hur detta fungerar måste jag fastna några koncept i din hjärna.
Först solen. Den dödliga strålningskulan på himlen. Som du förmodligen vet finns det en stadig ström av laddade partiklar, huvudsakligen elektroner och protoner, som tippar bort från solen i alla riktningar.
Astronomer är inte helt säkra på hur, men någon mekanism i solens korona, dess övre atmosfär, påskyndar dessa partiklar med en utrymningshastighet. Deras hastighet varierar från 250 till 750 km / s.
Solvinden rör sig bort från solen och ut i rymden. Vi ser dess effekter på kometer, vilket ger 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.
Faktum är att NASA: s Voyager-rymdskepp nyligen passerade denna region och slutligen tog sig till det interstellära rymden.
Solvinden orsakar ett direkt tryck, som en verklig vind, men det är otroligt svagt, en bråkdel av det ljustryck som en solsegla upplever.
Men solvinden innehåller en ström av positivt laddade protoner och elektroner, och detta är nyckeln.
Ett elektriskt segel fungerar genom att rulla ut en otroligt tunn tråd, bara 25 mikron tjock, men 20 kilometer lång. Rymdskeppet är utrustat med solpaneler och en elektronpistol som tar bara några hundra watt att köra.
Genom att skjuta elektroner ut i rymden upprätthåller rymdskeppet ett mycket positivt laddat tillstånd. Eftersom protonerna från solen också är positivt laddade, när de möter den positivt laddade kopplingen, "ser de" det ett enormt hinder 100 meter tvärs över och kraschar i den.
Genom att förmedla deras fart i tetheren och rymdskeppet, accelererar jonerna det bort från solen.
Mängden acceleration är mycket svag, men det är konstant tryck från solen och kan läggas upp under en lång tid. Om till exempel ett rymdskepp på 1000 kg hade 100 av dessa ledningar som sträcker sig ut i alla riktningar, kan det få en acceleration på 1 mm per sekund per sekund.
Under den första sekundet reser den 1 mm och sedan 2 mm på nästa sekund osv. Under ett år kan detta rymdskepp gå 30 km / s. Bara för jämförelse är det snabbaste rymdskeppet där ute, NASAs Voyager 1, bara 17 km / s. Så mycket snabbare, definitivt med en flyktningshastighet från solsystemet.
En av metodernas nackdelar är faktiskt att den inte fungerar inom jordens magnetosfär. Så ett elektriskt segeldrivet rymdfarkost skulle behöva transporteras av en traditionell raket bort från jorden innan den kunde ta ut sitt segel och gå ut i djupa rymden.
Jag är säker på att du undrar om det här är en resa för att komma bort från solen, men det är det faktiskt inte. Precis som med solseglar kan ett elektriskt segel svängas. Beroende på vilken sida av seglet solvinden träffar, höjer eller sänker den rymdfarkostens omlopp från solen.
Slå seglet på ena sidan så höjer du sin bana för att resa till det yttre solsystemet. Men du kan också slå den andra sidan och sänka dess bana, så att den kan färdas ner i det inre solsystemet. Det är ett otroligt mångsidigt framdrivningssystem, och solen gör allt arbete.
Även om detta låter som science fiction, finns det faktiskt några tester i verken. En estnisk prototypsatellit lanserades redan 2013, men dess motor lyckades inte rulla ut kopplingen. Den finska Aalto-1-satelliten lanserades i juni 2017 och ett av dess experiment är att testa ett elektriskt segel.
Vi bör ta reda på om tekniken är genomförbar senare i år.
Det är inte bara finländarna som överväger detta framdrivningssystem. 2015 meddelade NASA att de hade beviljat ett Phase II Innovative Advanced Concepts-bidrag till Dr. Pekka Janhunen och hans team för att utforska hur denna teknik skulle kunna användas för att nå det yttre solsystemet på kortare tid än andra metoder.
Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, eller HERTS-rymdskepp skulle sträcka 20 av dessa elektriska tetrar utåt från centrum och bilda ett enormt cirkulärt elektriskt segel för att fånga solvinden. Genom att långsamt rotera rymdfarkosten kommer centrifugalkraften att sträcka ut tetrarna i denna cirkulära form.
Med sin positiva laddning fungerar varje koppling som en enorm barriär mot solvinden, vilket ger rymdskeppet en effektiv ytarea på 600 kvadratkilometer när den startas från jorden. När det blir längre från jorden ökar dock det effektiva området till motsvarande 1200 kvadratkilometer när det når Jupiter.
När ett solsegla börjar tappa kraft fortsätter ett elektriskt segel att fortsätta accelerera. I själva verket skulle det fortsätta att accelerera förbi Uranus omloppsbana.
Om tekniken fungerar kan HERTS-uppdraget nå heliopausen på bara tio år. Det tog Voyager 1 35 år att nå detta avstånd, 121 astronomiska enheter från solen.
Men hur är det med styrning? Genom att ändra spänningen på varje tråd när rymdfarkosten roterar, kan du få hela seglet att interagera annorlunda på ena sidan eller den andra mot solvinden. Du kan styra hela rymdskeppet som seglen på en båt.
I september 2017 tillkännagav ett forskarlag med Meteorologiska institutet en ganska radikal idé för hur de kan använda elektriska segel för att utforska asteroidbältet.
I stället för ett enda rymdskepp föreslog de att bygga en flotta med 50 separata 5 kg-satelliter. Var och en skulle rulla ut sin egen 20 km långa tether och fånga solens solvind. Under ett 3-årigt uppdrag skulle rymdskeppet resa ut till asteroidbältet och besöka flera olika rymdrockar. Hela flottan skulle förmodligen kunna utforska 300 separata objekt.
Varje rymdskepp skulle vara utrustat med ett litet teleskop med endast en 40 mm öppning. Det handlar om storleken på ett fläckar, eller ett halvt kikare, men det räcker för att lösa funktioner på ytan av en asteroid så liten som 100 meter över. De skulle också ha en infraröd spektrometer för att kunna bestämma vilka mineraler varje asteroid är gjord av.
Det är ett utmärkt sätt att hitta den $ 10 biljoner asteroiden gjord av solid platina.
Eftersom rymdskeppet skulle vara för litet för att kommunicera hela vägen tillbaka till jorden, måste de lagra uppgifterna ombord och sedan överföra allt när de kom förbi vår planet 3 år senare.
Planetforskarna som jag har pratat med älskar idén att kunna undersöka dessa många olika objekt samtidigt, och den elektriska segelidén är en av de mest effektiva metoderna för att göra det.
Enligt forskarna kan de göra uppdraget för cirka 70 miljoner dollar, vilket innebär att kostnaden för att analysera varje asteroide ner till cirka 240 000 dollar. Det skulle vara billigt jämfört med någon annan metod som föreslås för att studera asteroider.
Rymdutforskning använder traditionella kemiska raketer eftersom de är kända och pålitliga. Visst har de sina brister, men de har tagit oss över solsystemet, till miljarder kilometer från jorden.
Men det finns andra former av framdrivning i verk, som det elektriska seglet. Och under de kommande decennierna kommer vi att se fler och fler av dessa idéer prövas. Ett bränslefritt framdrivningssystem som kan transportera ett rymdskepp in i solsystemets yttre räckvidd? Ja tack.
Jag håller dig uppdaterad när fler elektriska segel testas.
Podcast (ljud): Ladda ner (Längd: 10:10 - 9,3 MB)
Prenumerera: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): Ladda ner (Längd: 10:10 - 69,3 MB)
Prenumerera: Apple Podcasts | Android | RSS
