Является ли дифракция лучшей идеей в конструкции космических кораблей на солнечной энергии?
27.05.2022, Popular Science , Maria Parazo Rose
Конечная цель проекта Diffractive Solar Sailing Project — запечатлеть крупным планом полюса Солнца. Южный полюс Солнца на изображении Solar Orbiter. Credit: ESA и NASA/Solar Orbiter/EUI TeamСолнечная энергия уже давно является желанным источником энергии для транспортных средств по всему миру, и теперь NASA на один шаг приблизилось к тому, чтобы использовать ее для исследования космоса. Проект Diffractive Solar Sailing, возглавляемый Эмбер Дубилл из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, позволит космическим аппаратам, таким как зонды и спутники, путешествовать на большие расстояния используя только солнечный свет. Этот тип светового паруса будет первым в своем роде.
Проект был выбран для третьего и заключительного этапа программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), которая помогает разрабатывать перспективные идеи для научного, государственного и коммерческого использования.
NASA Innovative Advanced Concepts стремится изменить возможные направления развития, поддерживая на ранних стадиях исследования космических технологий, которые могут радикально изменить будущее, от исследования человеком дальнего космоса до передовых двигателей и робототехники. Credit: NASA
Команда получит 2 миллиона долларов на поддержку в течение двух дополнительных лет разработки, чтобы продемонстрировать эффективность своей технологии перед потенциальной миссией. Это пятый проект, достигший этапа III с момента запуска программы в 2012 году.
Солнечные паруса используют давление солнечного света, чтобы двигаться в космосе подобно парусникам, использующим силу ветра, что устраняет необходимость в ракетах и топливе для продвижения корабля вперед. Но дифракционные световые паруса, созданные командой Дубилл, идут на шаг дальше, чем традиционная конструкция отражающих световых парусов.
Отражающие световые паруса должны собирать и перенаправлять солнечные лучи, а это значит, что они должны быть покрыты металлической пленкой и всегда должны быть обращены в сторону Солнца. Эта зависимость ограничивает навигацию, поскольку существует постоянный компромисс между захватом энергии и маневренностью. Более того, конструкция отражающих парусов делает их большими, тонкими и неустойчивыми. Необходимое оборудование для стабилизации и ориентации парусов в конечном итоге замедляет космический корабль.
Дифракционные солнечные паруса, изображенные на этой концептуальной иллюстрации, могут сделать возможным достижение труднодоступных орбит над полюсами Солнца. Credits: MacKenzi MartinДифракционные паруса бывают разные. Когда свет преломляется через узкие отверстия, а не отражается через широкие плоскости, он распространяется в разных направлениях. В дифракционных парусах команда использует это свойство света, используя небольшие решетки, встроенные в поверхность, которые могут рассеивать свет туда, куда это необходимо, даже если парус находится под неоптимальным углом или не обращен прямо к Солнцу. Это, в свою очередь, позволяет космическому кораблю ориентироваться более ловко и эффективно. Благодаря такой конструкции солнечные паруса могут быть меньше, потреблять меньше энергии и работать с меньшими затратами - и все это без ущерба для мощности.
Дубилл сравнивает эту концепцию с реальными парусами лодки. Если вы пытаетесь двигаться против ветра с помощью эквивалента отражающего паруса, вам придется двигать его взад и вперед, чтобы двигаться в заданном направлении [движение галсами, лавировка]. Если у вас есть что-то более похожее на дифракционный парус, вы можете использовать силу ветра, чтобы унести вас вперед [по ветру], а также лететь против него.
Схема источника света (например, Солнца) и дифракционной решетки (например, дифракционного солнечного паруса) иллюстрирует движущую силу, возникающую в результате дифракции света на решетке. Обратите внимание: Стоит ли смотреть российскую фантастику "Спутник".
Показаны падающие и дифрагированные световые лучи (со средней длиной волны λ и соответствующими волновыми векторами ki и kf величиной 2π/λ); когда падающий свет дифрагирует на решетке периода d под углом m-го порядка βm, на решетке создается сила F. Нормальные и тангенциальные единичные векторы поверхности решетки равны n и t соответственно. Падающий белый свет рассеивается на спектральные составляющие. Credit: Grover Swartzlander«[Эта конструкция] является новаторской. Она более эффективна и решает предыдущие проблемы с световыми парусами», — говорит Дубилл, добавляя, что в ходе небольшого исследования, которое они провели, команда обнаружила, что технологическая попытка по замене отражающих световых парусов на дифракционные световые паруса «оправдала себя» и что «выгоды, превышают затраты».
Под руководством Дубилл команда улучшит металлический материал коллектора солнечных лучей и проведет наземные испытания в течение всего периода Фазы III. По ее словам, они закладывают основу для того, чтобы в конечном итоге отправить на орбиту вокруг полюсов Солнца группировку спутников на легких дифракционных световых парусах с научными приборами. Недавно аппарат NASA и ESA Solar Orbiter сделал изображения Солнца с высоким разрешением, но прямая съемка полюсов никогда не делалась.
«Мы многого не знаем о Солнце. Эта технология может сыграть большую роль в мониторинге сложностей солнечной погоды», - говорит Дубилл. «[Наша команда] долго работала над этим проектом и будет интересно увидеть, что у него есть возможность использования в будущих полетах».
Дополнительная информация:
NASA Moves Ahead With Wild Solar Sail Concept
NASA-Supported Solar Sail Could Take Science to New Heights
Дифракционные световые паруса
Космос и астрономия: дифракционные солнечные паруса могут превзойти паруса с отражающим металлическим покрытием
NASA раскрывает новую концепцию солнечного паруса для приведения в движение космического корабля с использованием солнечного света вместо топлива
Научная статья Вокруг Солнца с дифракционными солнечными парусами
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: This novel solar sail could make it easier for NASA to stare into the sun
#космос #Тау Кита #tay-ceti #tau ceti #τ Ceti #space #дифракционный солнечный парус #NASA #NIAC
Еще по теме здесь: Космос.
Источник: Новейший солнечный парус может помочь nasa смотреть на Солнце.