Hvad er et elektrisk sejl? Endnu en eksotisk måde at udforske solsystemet på

Vi er alle bekendt med ideen om solsejl for at udforske solsystemet, ved hjælp af det lette tryk fra solen. Men der er et andet fremdriftssystem, der kunne udnytte solens kraft, elektriske sejl, og det er en ret spændende idé.

Et par uger siden, Jeg tog fat på et spørgsmål, nogen havde om mine foretrukne eksotiske fremdriftssystemer, og jeg raslede et par ideer af, som jeg synes er spændende:solsejl, nukleare raketter, ionmotorer, osv. Men der er et andet fremdriftssystem, der bliver ved med at komme op, og jeg glemte helt at nævne, men det er en af ​​de bedste ideer, jeg har hørt længe:elektriske sejl.

Som du sikkert ved, et solsejl virker ved at udnytte fotonerne af lys, der strømmer fra solen. Selvom fotoner er masseløse, de har momentum, og kan overføre det, når de hopper af en reflekterende overflade.

Ud over lys, solen blæser også af en jævn strøm af ladede partikler - solvinden. Et team af ingeniører fra Finland, ledet af Dr. Pekka Janhunen, har foreslået at bygge et elektrisk sejl, der skal bruge disse partikler til at transportere rumfartøjer ud i solsystemet.

For at forstå, hvordan dette fungerer, Jeg bliver nødt til at sætte et par begreber ind i din hjerne.

Først, solen. Den dødbringende kugle af stråling på himlen. Som du sikkert ved, der er en konstant strøm af ladede partikler, hovedsageligt elektroner og protoner, lyner væk fra solen i alle retninger.

Astronomer er ikke helt sikre på hvordan, men en eller anden mekanisme i solens korona, dens øvre atmosfære, accelererer disse partikler med en flugthastighed. Deres hastighed varierer fra 250 til 750 km/s.

Solvinden rejser væk fra solen, og ud i rummet. Vi ser dets virkninger på kometer, give dem deres karakteristiske haler, og det danner en boble omkring solsystemet kendt som heliosfæren. Det er her solvinden fra solen møder de kollektive solvinde fra de andre stjerner i Mælkevejen.

Faktisk, NASAs Voyager-rumfartøj passerede for nylig gennem denne region, endelig på vej til det interstellare rum.

Solvinden forårsager et direkte tryk, som en rigtig vind, men den er utrolig svag, en brøkdel af det lette tryk et solsejl oplever.

Men solvinden er negativt ladet, og dette er nøglen.

Et elektrisk sejl virker ved at vikle en utrolig tynd wire ud, kun 25 mikron tyk, men 20 kilometer lang. Rumfartøjet er udstyret med solpaneler og en elektronkanon, som kun tager et par hundrede watt at køre.

Ved at skyde elektroner ud i rummet, rumfartøjet opretholder en meget positivt ladet tilstand. Når de negativt ladede partikler fra solen møder den positivt ladede tøjring, de "ser" det er en kæmpe forhindring 100 meter på tværs, og støde ind i den.

Ved at give deres momentum til tøjret og rumfartøjet, ionerne accelererer det væk fra solen.

Mængden af ​​acceleration er meget svag, men det er konstant tryk fra solen og kan stige over en længere periode. For eksempel, hvis et rumfartøj på 1000 kg havde 100 af disse ledninger, der strækker sig ud i alle retninger, den kunne modtage en acceleration på 1 mm pr. sekund pr. sekund.

I det første sekund rejser den 1 mm, og derefter 2 mm i det næste sekund, osv. I løbet af et år, dette rumfartøj kunne køre 30 km/s. Bare til sammenligning, det hurtigste rumfartøj derude, NASA's Voyager 1, kører kun omkring 17 km/s. Så, meget hurtigere, bestemt på en flugthastighed fra solsystemet.

En af ulemperne ved metoden, rent faktisk, er, at det ikke vil virke inden for Jordens magnetosfære. Så et elektrisk sejldrevet rumfartøj skulle bæres af en traditionel raket væk fra Jorden, før det kunne udfolde sit sejl og begive sig ud i det dybe rum.

Jeg er sikker på, at du spekulerer på, om dette er en enkeltrejse for at komme væk fra solen, men det er det faktisk ikke. Ligesom med solsejl, et elektrisk sejl kan drejes. Afhængigt af hvilken side af sejlet solvinden rammer, det enten hæver eller sænker rumfartøjets kredsløb fra solen.

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. I 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, selvom, its effective area increases to the equivalent of 1, 200 square km by the time it reaches Jupiter.

When a solar sail starts to lose power, an electric sail just keeps accelerating. Faktisk, 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.

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.

Ifølge forskerne, 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.