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.