A felesleges probléma megoldása - Mennyire közel hajózhat egy nap a naphoz - Bernd
A napvitorlák alternatív hajtásként kissé lemaradtak az elmúlt évtizedekben. Az ionhajtásokat viszont egyre inkább használják. Ennek mindenképpen vannak okai. Egyrészt az energiaellátás fejlődése (napelemeken keresztül) vonzóbbá tette az ionhajtást. Másrészt hiányoznak azok a projektek, amelyek a napvitorlák ésszerű használatát mutatják be.
A napvitorláknak mindig egy előnyük van - nem fogyasztanak semmilyen üzemanyagot, és „tolóerejük” annál közelebb kerül a naphoz. Tehát a belső naprendszerbe történő küldetések alternatívái lennének. Jelenleg három van - a Solar Orbiter, a Parker Solar Probe és a BepiColombo. Elképzelhető is lenne. nagyon közel kerülni a naphoz, és tovább gyorsulni az eltávolítás során, és így elegendő lökést elérni egy kiránduláshoz a külső naprendszerben.
De milyen közel lehet a naphoz jutni?
Mindenki logikusan megértheti, hogy a vitorlára hulló energia. Minél közelebb kerül a naphoz, annál nagyobb lesz - mert az a terület, amelyen a napfelszín állandó sugárzása eloszlik, egyre kisebb. A Merkúron akár 425 ° C is lehet.
A távolság és az elnyelt energia kapcsolata viszonylag egyszerű:
A testet gömb alakú gömb veszi körül, amelyre a nap teljes energiája hull. Ennek a gömbnek a területe kiszámítható:
r: sugár = távolság a nap felszínétől
σ: Stefan-Bolzmann állandó
Egyszerűsítve: A területegységre eső energia kvadratikusan növekszik. Ha ismeri azt az energiát, amely egy négyzetméterre esik egy bizonyos távolságban, akkor kiszámíthatja az energiát bármely területre és távolságra. 149,6 millió km-en (átlagos távolság a földtől a napig) 1355 W/m².
A Stefan-Bolzmann-törvény szerint kiszámítható egy fekete test hőmérséklete:
A Stefan-Bolzmann σ = 5,67 × 10 -8 W/m²/K 4 állandó a földtávolságra vonatkozik. 1 m² terület (F) és 1355 W/m² (P) 393 K = 120 ° C-ra számítandó. Ez lényegesen több, mint maga a föld hőmérséklete. Mivel a fenti törvény ideális, fekete testre vonatkozik, az a test, amely elnyeli az összes sugárzást, nem tükröz semmit és addig melegszik, amíg a kibocsátott és az elnyelt sugárzás egyensúlya meg nem valósul. A föld azonban forog, ami azt jelenti, hogy a sugárzás a hátulra is eloszlik, amelyet közvetlenül nem világítanak meg, és ez egy gömb, nem kör. A föld nagyságú kör területe pi × r², de egy félteke területe 2 × pi × r². A légkör szintén felmelegszik és hozzájárul az eloszláshoz, de hőforrásként is működik, és nem utolsósorban a legfontosabb tényező: A föld nem szív el minden sugárzást, különben csak egy fekete kör lenne, ha az űrből néznénk.
Hozzá kell adni a reflexió mértékét. Abban fejeződik ki, hogy az energia csak egy része szívódik fel. A többi visszatükröződik az űrbe. A Föld fényvisszaverő képessége körülbelül 36%, a hold jelentősen sötétebb, 12% -on van, ezért a Holdon is melegebb (egyéb tényezők, például a lassú forgás) mellett. A természetes felületek legnagyobb visszaverődési fokát a frissen hullott hó okozza, amely akár 90% -ot is elérhet. Mindenki tudja, hogy télen, amikor a havas felületek elvakítják a ragyogó napsütést. Van még egy hóvakságnak nevezett betegség is.
A napvitorlák többnyire Kapton fóliából állnak, amelyet alumínium borít vagy gőzzel lerakódnak. A Kapton olyan műanyag, amelyből nagyon vékony fóliákat lehet előállítani, és ezért különösen alkalmas erre a célra.
Logikus, hogy közelebb kerülhet a naphoz, amíg a vitorla hőmérséklete olyan magas, hogy az anyagok megsérülnek. Az alumínium minden gond nélkül kibírja az 500 ° C-ot, a Kapton mint műanyag ellenáll a műanyagnak is, legfeljebb 400 ° C-ig említik. De ezek rövid ideig a legfontosabb értékek. Legalább 260 ° C hosszú távon lehetséges. Az alumínium, mint bevonat, a sugárzás nagy részét visszatükrözi, ami azért kívánatos, mert növeli a tolóerőt (az 1. visszaverődésnél megduplázódik a fekete testhez képest). Az alumínium reflektanciája széles hullámtartományban 0,9.
A fenti képlet, amelyet 0,9 reflexióhoz használunk, 221 ° C hőmérsékletet ad. Ez már 170 ° C-kal kevesebb, mint a sugárzás teljes elnyelésével. Formázzon egyet a felvett sugárzásra:
P = T 4 × σ/(1-reflexió)
T = 523 K (260 ° C) esetén a visszaverődés mértéke = 0,9, P = 45760 W/m²
A távolság összehasonlítást ad a föld távolságában lévő sugárzással, és a sugár kvadratikus növekedése miatt gyökeret veszünk:
r = 149,6 millió km/gyökér (45760/1355)
r = 25,8 millió km
Ez nagyon közel van, valamivel több, mint egyharmada az átlagos távolság a Merkúrtól a Naphoz, és kevesebb, mint a fele a minimális távolságnak. Az energia elengedhetetlen a tolóerőhöz, és 33-szor nagyobb, mint a föld közelében, így a gyorsulás is 33-szor nagyobb.
Két eset van. Ha be akarsz menni a belső naprendszerbe, az előnyei nyilvánvalóak. Vagy elérheti a távolságot számos swing-by-val (hét a Parker Solar Probe-val, még kilenc a Solar Orbiterrel), vagy ion-tolókerekekkel (BepiColombo). Az ionmotorok számára is előnyös, ha csökken a távolság a naptól, mivel az elektromosságot a napelemek állítják elő, de túl meleg állapotukban elveszítik az energiát. Körülbelül kétszer lehetséges a földhöz közeli teljesítmény, akkor azt egyre inkább be kell állítania, hogy elkerülje a túlmelegedést. Az 50% -os teherbírású napvitorla és a mai technika (felületi súlya 14 g/m²m: 120 g/m, négyzet alakú vitorla) 1 év 244 nap alatt éri el a 26 millió km távolságot. Ha 3 km/s túllépéssel indul - a Földről indulási sebességgel ez csak 400 m/s körül van, ez csak 1 év 4 nap. Összehasonlításképpen: Bepi Colombo-nak több mint 5 évre van szüksége a Merkúr eléréséhez.