Saules bura (fotonu bura): definīcija, darbības princips un vēsture
Uzzini saules buru (fotonu bura) definīciju, darbības principu un vēsturi — no Keplera idejām līdz moderniem eksperimentiem un kosmosa pielietojumiem.
Saules buras (vai gaismas buras, vai fotonu buras) ir ierosināta kosmosa kuģu piedziņas metode, izmantojot saules gaismas radīto radiācijas spiedienu. Vārds "bura" ir pēc analoģijas ar laivām, kas izmanto buras, lai kustībā izmantotu vēju. Pirmo reizi šo koncepciju 17. gadsimtā ierosināja Johannes Keplers. Viņam bija teorija,, ka buras var pielāgot "debesu vējiem".
1865. gadā Džeimss Klērks Maksvels publicēja savu elektromagnētisko lauku un starojuma teoriju. Viņš pierādīja, ka gaisma (viens no elektromagnētiskā starojuma veidiem) var radīt spiedienu uz objektu. Šo spiedienu sauc par starojuma spiedienu. Tas deva pamatu Saules buru zinātniskajam pamatojumam. Saules starojums rada spiedienu uz buru atstarošanas un nelielas absorbētās daļas dēļ.
Saules spiediens iedarbojas uz kosmosā vai planētas orbītā esošiem kosmosa kuģiem. Piemēram, tipisku kosmosa kuģi, kas dodas uz Marsu, Saules spiediens pārvieto par tūkstošiem kilometru. Ietekme tiek prognozēta plānošanā. Tas tiek darīts jau kopš 1960. gadu pirmajiem starpplanētu kosmosa kuģiem. Saules spiediens ietekmē arī kuģa orientāciju, un šis faktors tiek iekļauts kosmosa kuģu projektēšanā.
Saules buru koncepcija vēlāk tika izmantota zinātniskajā fantastikā, piemēram, Žila Verna darbos.
Darbības princips — kā strādā saules bura
Saules buru pamatā ir fotonu impulsu pārnese. Gaismas fotoni, triecoties pret spoguļojošu vai daļēji absorbējošu virsmu, nodod impulsu un rada ļoti mazu stūres spēku. Par ordināru atstarotāju, kas pilnībā atstaro iekritušos fotonus, radiācijas spiediens pie 1 astronomiskā vienība (1 AU, attālums no Zemes līdz Saulei) ir aptuveni 9,1 μN/m². Ja virsma daļēji absorbē gaismu, spiediens ir mazāks (aptuveni puse perfect refl.). Lai gan vienas kvadrātmetra gursts ir ļoti vāja, ilgstoša iedarbība bez vajadzības pēc degvielas var nodrošināt ievērojamu ātruma pieaugumu.
Vēstures galvenie posmi
- 17. gadsimts — ideja par "debesu vējiem" un to izmantošanu ceļošanai (Johannes Kepler).
- 1865 — Dž. K. Maksvels teorētiski apraksta elektromagnētiskos laukus un iespēju, ka gaismai ir spiediens.
- ap 1900–1903 — eksperimentālas apstiprināšanas posmi: krājumi, ko veica P. Lebedevs (Krievijā) un E. H. Nichols ar G. F. Hull (ASV), kas izmērīja gaismas radīto spiedienu.
- 20. gadsimta sākums — inženieri un rakstnieki (tostarp Konstantīns Ciolkovskis un Fridrihs (Friedrich) Cander/Zander) aprakstīja sapņus par saules buru izmantošanu kosmiskajām ceļojumiem.
- 21. gadsimts — demonstrācijas misijas: NanoSail‑D, IKAROS (JAXA, veiksmīga izvēršana 2010), Planetary Society LightSail 1 (tests) un LightSail 2 (kontrolēta saules buras gaitas demonstrācija 2019) u.c.
Materiāli un konstrukcijas risinājumi
Praktiski saules buru izgatavošanai nepieciešami ļoti viegli, izturīgi un ļoti atstarojoši materiāli. Bieži izmanto:
- alumīnija pārklājumu uz plāna polimēra filma (piemēram, Mylar vai Kapton);
- augsti tehnoloģiskas kompozītmateriāli un plānas folijas ar speciālām pārklājuma slāņiem;
- pētījumi par grafēnu, fotoniskajiem kristāliem un metamatērijām, kas var palielināt atstarojumu vai nodrošināt īpašas manevrēšanas iespējas.
Sail konstrukcijas var būt dažādas — kvadrātformas, apaļas, izstieptas asmeņveida (heliogyro), arī modulāras vai aplokšņu tipa sagataves. Attīstās tehnoloģijas automātiskai izvēršanai, stieņu/rotoru balstītai stabilizācijai un orientācijas kontrolei (reakcijas riteņi, tvaika izmešana, nelieli propulzijas korektori vai virzienkontroles paneļi).
Reālie projekti un misijas
- IKAROS (JAXA, 2010) — pirmais veiksmīgi izvērsts saules buras izmēģinājums un braukšanas kontrole, izmantoti elektrotorijas paneļi orientācijai.
- NanoSail‑D (NASA, 2010) — neliela buru testa misija, kas demonstrēja izvēršanu LEO orbītā.
- LightSail 1 un LightSail 2 (Planetary Society) — CubeSat klases misijas, LightSail 2 (2019) veiksmīgi demonstrēja kontrolētu spiediena izmantošanu orbītas augstuma regulēšanā.
- Koncepti: Breakthrough Starshot — ideja par ļoti vieglas fotonu buru paātrināšanu ar intensīvu zemes vai kosmosa lāzeru, lai sasniegtu zvaigžņu sistēmas.
Priekšrocības un ierobežojumi
- Priekšrocības: nav nepieciešama degviela, teorētiski bezgalīgs darbības laiks (ja materiāls iztur), pastāvīga neliela paātrināšana, potenciāls lētām, ilgstošām misijām un manevriem.
- Ierobežojumi: ārkārtīgi zems sākotnējais vilces blīvums (ap 9,1 μN/m² pie 1 AU par perfekti atstarojošu virsmu), nepieciešama liela virsma salīdzinājumā ar masu, jutība pret mikrometeorītiem un ražīga izvēršana kosmosā, sarežģīta orientācijas kontrole un atkarība no attāluma līdz Saulei (vilce samazinās kvadrātā ar attālumu).
Vadība un manevrēšana
Manevrēšana notiek, mainot buru leņķi pret starojuma plūsmu un regulējot masas izkārtojumu (centra spiediena un masas atšķirības). Praktiskos risinājumos izmanto:
- virzienkontroles paneļus un reflektīvās zonas, lai mainītu efektīvo centru;
- rotācijas/centrifūgalas stabilizāciju (heliogyro dizains);
- nelielus impulsus vai ķīmisko/elektrisko korekciju sistēmas smalkai trajektorijas vadībai.
Nākotnes perspektīvas
Saules buras un fotonu dzinēji tiek pētīti kā ilgtspējīgs risinājums zema izmaksu satelītu apkalpošanai, dziļai kosmosa izpētei un pat apmaiņai ar starpzvaigžņu misijām (kombinējot lāzeru paātrinātājus). Turpmākie uzlabojumi materiālos, izvēršanas mehānismos un lāzerelektromagnētiskajā palielinātāja tehnoloģijā var strauji paplašināt to praktisko pielietojumu.
Kopumā saules buras ir tehnoloģija ar lielu potenciālu, īpaši tur, kur nelielas, nepārtrauktas vilces priekšrocība kompensē zemo momentāno spēku. Attīstība apvieno materiālu zinātni, precīzu vadību, optiku un kosmosa inženieriju.
Kā varētu izskatīties saules bura (ar nelielu kosmosa kuģi).
20x20 m testa buru
Teorija
Saules buru ideja ir izmantot Saules starojuma spiedienu, lai pārvietotu kosmosa kuģi, iespējams, izmantojot lielus spoguļus (lielas gaismu atstarojošas virsmas). Šīs metodes trūkums ir tas, ka radītā vilkme ir ļoti maza. Priekšrocība ir tā, ka nav vajadzīga degviela (kamēr vien ir gaisma). Tāpēc to uzskata par iespējamu nākotnes kosmosa kuģu variantu. Līdz šim eksperimentos ir izmantotas tikai nelielas testa versijas.
Piemēram, kopējais spēks, kas iedarbojas uz 800 x 800 metru lielu saules buru, ir aptuveni 5 ņūtoni (1,1 lbf) Zemes attālumā no Saules, kas to padara par zemas vilces dzinējspēka sistēmu, līdzīgu kosmosa kuģiem, ko darbina elektriskie dzinēji. Tā kā tā neizmanto degvielu, spēks darbojas gandrīz nepārtraukti. Kopējais efekts laika gaitā ir pietiekami liels, lai to varētu uzskatīt par kosmosa kuģu piedziņas veidu.
Vēsture
Pirmo reizi šo koncepciju 70. gados plānoja izmantot divi NASA Reaktīvo dzinēju laboratorijas Pasadenā, Kalifornijā, pētnieki Brūss Murejs un Luiss Frīdmens.
2010. gada 21. maijā Japānas Kosmosa izpētes aģentūra (JAXA) veiksmīgi palaida saules buru IKAROS (Interplanetary Kite-Craft Accelerated by Radiation of The Sun). Tā izmantoja saules buru kosmosā starp Zemi un Venēru. Tā bija pirmā veiksmīgā saules buru izmantošana.
2010. gadā NASA palaida saules buru kuģi NANOSEL-D2. Tas bija pirmais NASA saules buru kuģis, kas guva panākumus.
2019. gada 2. jūlijā Amerikas Savienotajās Valstīs bāzētā organizācija Planet Society palaida satelītu LightSail 2, kas ir izstrādāts, izmantojot saules buru tehnoloģiju. Vieglais satelīts tika palaists ar SpaceX raķeti Falcon Heavy no Kenedija kosmosa centra Floridā. Šī bija zema budžeta misija, ko finansēja 50 000 biedru ziedojumi. Kopējais budžets bija mazāks par 7 miljoniem ASV dolāru. 2019. gada jūlija beigās LightSail 2 atvēra savu saules buru. Tam bija nepieciešamas aptuveni 3 minūtes.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir saules bura?
A: Saules buras (vai gaismas buras, vai fotonu buras) ir ierosināta metode kosmosa kuģu piedziņai, izmantojot saules gaismas radīto radiācijas spiedienu.
Q: Kas pirmais ierosināja saules buru koncepciju?
A: Pirmo reizi šo koncepciju 17. gadsimtā ierosināja Johannes Keplers.
J: Ko publicēja Džeimss Klerks Maksvels, kas deva pamatu saules buru zinātniskajam pamatojumam?
A: Džeimss Klerks Maksvels publicēja savu elektromagnētisko lauku un starojuma teoriju, kurā parādīja, ka gaisma (viens no elektromagnētiskā starojuma veidiem) var radīt spiedienu uz objektu, ko sauc par starojuma spiedienu.
J: Kā saules spiediens iedarbojas uz kosmosa kuģi?
A: Saules spiediens iedarbojas uz kosmosā vai planētas orbītā esošiem kosmosa kuģiem, pārvietojot tos par tūkstošiem kilometru un ietekmējot to orientāciju.
J: Kad pirmo reizi šī ietekme tika ņemta vērā, plānojot starpplanētu misijas?
A: Tas ir darīts jau kopš 1960. gadu pirmajiem starpplanētu kosmosa kuģiem.
J: Kādos citos kontekstos ir izmantots saules buru jēdziens?
A: Saules buru koncepcija ir izmantota arī zinātniskajā fantastikā, piemēram, Žila Verna darbos.
Meklēt