Усі знають, що сонячна енергія безкоштовна і майже безмежна тут, на Землі. Те саме стосується космічних кораблів, що працюють у внутрішній частині Сонячної системи. Але в космосі Сонце може робити більше, ніж давати електричну енергію; він також випускає нескінченний потік сонячного вітру.
Сонячні вітрила можуть використовувати цей вітер і забезпечувати рух космічних кораблів. NASA збирається випробувати новий дизайн сонячного вітрила, який може зробити сонячні вітрила ще ефективнішими. Сонячний тиск пронизує всю Сонячну систему. Він слабшає з відстанню, але він присутній. Це впливає на всі космічні апарати, включаючи супутники. Це різко впливає на довготривалі космічні польоти.
Під час подорожі космічний корабель, який відправляється на Марс, може бути зміщений з курсу на тисячі кілометрів під впливом сонячного тиску. Тиск також впливає на орієнтацію космічного корабля, і вони створені, щоб справлятися з ним. Хоча це перешкода, сонячний тиск можна використати нам на користь.
Кілька космічних кораблів із сонячним вітрилом було запущено та випробувано, починаючи з японського космічного корабля Ikaros у 2010 році. Ikaros довів, що радіаційний тиск від Сонця у формі фотонів можна використовувати для керування космічним кораблем. Найновішим космічним кораблем із сонячним вітрилом є LightSail 2 Planetary Society, запущений у 2019 році. LightSail 2 була успішною місією, яка тривала понад три роки.
Космічні кораблі з сонячними вітрилами мають деякі переваги перед іншими космічними апаратами. Їхні силові установки надзвичайно легкі, і паливо ніколи не закінчується. Космічні кораблі з сонячними вітрилами можуть виконувати місії дешевше, ніж інші космічні кораблі, і можуть працювати довше, хоча вони мають обмеження.
Зараз доведено, що концепція сонячного вітрила працює, але технологія має вдосконалюватися, щоб вона була справді ефективною. Важливою частиною космічного корабля із сонячним вітрилом є його гіки. Гіки підтримують матеріал вітрила; чим вони легші й міцніші, тим ефективнішим буде космічний апарат. Хоча сонячні вітрила набагато легші за інші космічні кораблі, вага гіків все ще є перешкодою.
«Стріли, як правило, були або важкими та металевими, або виготовлені з легкого композиту з громіздкою конструкцією – жодне з них не підходить для сучасних маленьких космічних кораблів». Кітс Вілкі, головний дослідник ACS3, NASA
NASA збирається запустити новий дизайн сонячного вітрила з кращою опорною структурою. Під назвою Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) він жорсткіший і легший за попередні конструкції гіків. Він виготовлений з вуглецевого волокна та гнучких полімерів.
Хоча сонячні вітрила мають багато переваг, вони також мають критичний недолік. Вони запускаються як невеликі пакети, які потрібно розгорнути, перш ніж вони почнуть працювати. Ця операція може бути пов’язана з труднощами та викликає стрес у бідної наземної команди, якій доводиться чекати та спостерігати, чи вона вдасться.
ACS3 запускатиметься за допомогою CubeSat із дванадцяти одиниць (12U), створеного компанією NanoAvionics. Основна мета — продемонструвати розгортання штанги, але команда ACS3 також сподівається, що місія доведе, що їхній космічний корабель із сонячним вітрилом працює.
Щоб змінити напрямок, корабель нахиляє вітрила. Якщо розгортання гіка буде успішним, команда ACS3 сподівається виконати деякі маневри з космічним кораблем, нахиляючи вітрила та змінюючи орбіту космічного корабля. Мета полягає в тому, щоб побудувати більші вітрила, які можуть генерувати більшу тягу.
«Ми сподіваємося, що нові технології, перевірені на цьому космічному кораблі, надихнуть інших використовувати їх так, як ми навіть не розглядали». Алан Роудс, провідний системний інженер ACS3, Дослідницький центр Еймса NASA
Конструкція штанги ACS3 створена для подолання проблеми зі штангами: вони або важкі та тонкі, або легкі та громіздкі.
«Стріли, як правило, були або важкими та металевими, або виготовлені з легкого композиту з громіздкою конструкцією – жоден із них не підходить для сучасних маленьких космічних кораблів», – сказав Кітс Вілкі з NASA. Вілке є головним дослідником ACS3 у дослідницькому центрі Ленглі.
«Сонячні вітрила потребують дуже великих, стабільних і легких гіків, які можна компактно складати. Гіги цього вітрила мають форму труби, їх можна стиснути і згорнути, як рулетку, у невелику упаковку, пропонуючи всі переваги композитних матеріалів, як-от менше згинання та згинання під час змін температури».
ACS3 буде запущений на ракеті Electron зі стартового комплексу Rocket Lab у Новій Зеландії. Він прямуватиме до сонячно-синхронної орбіти на висоті 1000 км (600 миль) над Землею.
Як тільки він прибуде, космічний корабель розгорне свої стріли та розгорне вітрило. Розгортання вітрила займе приблизно 25 хвилин із площею збору фотонів 80 квадратних метрів або приблизно 860 квадратних футів. Це набагато більше, ніж у LightSail 2, у якого площа вітрила становила 32 квадратних метри або близько 340 квадратних футів.
Коли він розгортається, камери на космічному кораблі спостерігатимуть за формою та симетрією. Дані, отримані в результаті маневрів, будуть використані в майбутніх конструкціях вітрил.
«Сім метрів стріли, що розгортається, можна згорнути у форму, яка поміститься у вашій руці», — сказав Алан Роудс, провідний системний інженер місії в Дослідницькому центрі Еймса NASA. «Ми сподіваємося, що нові технології, перевірені на цьому космічному кораблі, надихнуть інших використовувати їх так, як ми навіть не розглядали».
ACS3 є частиною програми НАСА «Технології малих космічних кораблів». Програма спрямована на розгортання невеликих місій, які швидко демонструють унікальні можливості.
Завдяки унікальним гікам з композиту та вуглецевого волокна система ACS3 має потенціал для підтримки вітрил розміром до 2000 квадратних метрів, або близько 21 500 квадратних футів. Це приблизно половина площі футбольного поля. (Або, як наші британські друзі помилково називають це, футбольне поле.)
З великими вітрилами типи місій, які вони можуть виконувати, змінюються. Хоча сонячні вітрила досі були невеликими демонстраційними моделями, система потенційно може забезпечувати серйозні наукові місії.
«Сонце горітиме мільярди років, тому у нас є необмежене джерело двигуна. Замість того, щоб запускати масивні паливні баки для майбутніх місій, ми можемо запускати більші вітрила, які використовують уже наявне «паливо», — сказав Роудс.
«Ми продемонструємо систему, яка використовує цей багатий ресурс, щоб зробити наступні гігантські кроки в розвідці та науці». Космічні кораблі із сонячними вітрилами не мають миттєвої тяги, яку мають хімічні або електричні системи тяги. Але поштовх постійний і ніколи не коливається.
Вони можуть робити те, що важко зробити іншим космічним кораблям, наприклад займати унікальні позиції, які дозволяють їм вивчати Сонце. Вони можуть служити системами раннього попередження про викиди корональної маси та сонячні бурі, які становлять небезпеку.
Нові композитні стріли також мають інші застосування. Оскільки вони такі легкі, міцні та компактні, вони можуть служити структурним каркасом для місць існування на Місяці та Марсі. Вони також можуть використовуватися для підтримки інших структур, наприклад систем зв’язку. Якщо система працює, хто знає, які ще програми вона може обслуговувати?
«Ця технологія розпалює уяву, переосмислюючи всю ідею вітрильного спорту та застосовуючи її до космічних подорожей», — сказав Руді Аквіліна, керівник проекту місії сонячних вітрил NASA Ames. «Демонстрація можливостей сонячних вітрил і легких композитних гіків є наступним кроком у використанні цієї технології для надихання на майбутні місії».