Saules bura ir veids, kā virzīt kosmosa kuģi, izmantojot gaismas un liela ātruma gāzu spiedienu (sauktu arī par saules gaismas spiedienu), ko izstaro zvaigzne. Apskatīsim tuvāk tās ierīci.
Buru izmantošana nozīmē zemu izmaksu kosmosa ceļojumu apvienojumā ar pagarinātu kalpošanas laiku. Tā kā trūkst daudzu kustīgu detaļu, kā arī ir nepieciešams izmantot degvielu, šāds kuģis ir potenciāli atkārtoti izmantojams lietderīgās kravas piegādei. Dažreiz tiek lietoti arī nosaukumi gaismas vai fotonu bura.
Koncepcijas stāsts
Johannes Keplers reiz pamanīja, ka komētas aste skatās prom no Saules, un norādīja, ka šo efektu rada zvaigzne. Vēstulē Galileo 1610. gadā viņš rakstīja: "Nodrošiniet kuģi ar buru, kas pielāgota saules brīzei, un būs tie, kas uzdrošinās izpētīt šo tukšumu." Iespējams, ar šiem vārdiem viņš atsaucās tieši uz "komētas astes" fenomenu, lai gan publikācijas par šo tēmu parādījās vairākus gadus vēlāk.
Džeimss K. Maksvels XIX gadsimta 60. gados publicēja elektromagnētiskā lauka teoriju unstarojums, kurā viņš parādīja, ka gaismai ir impulss un tādējādi tā var izdarīt spiedienu uz objektiem. Maksvela vienādojumi nodrošina teorētisko pamatu viegla spiediena kustībai. Tāpēc jau 1864. gadā fizikas aprindās un ārpus tās bija zināms, ka saules gaisma rada impulsu, kas rada spiedienu uz objektiem.
Vispirms Pjotrs Ļebedevs eksperimentāli demonstrēja gaismas spiedienu 1899. gadā, un pēc tam Ernests Nikolss un Gordons Hols 1901. gadā veica līdzīgu neatkarīgu eksperimentu, izmantojot Nikolsa radiometru.
Alberts Einšteins ieviesa atšķirīgu formulējumu, atzīstot masas un enerģijas līdzvērtību. Tagad mēs varam vienkārši uzrakstīt p=E/c kā attiecību starp impulsu, enerģiju un gaismas ātrumu.
Svante Arrhenius 1908. gadā paredzēja saules starojuma radītā spiediena iespējamību, kas starpzvaigžņu attālumos pārnes dzīvas sporas, un līdz ar to arī panspermijas jēdzienu. Viņš bija pirmais zinātnieks, kurš apgalvoja, ka gaisma var pārvietot objektus starp zvaigznēm.
Frīdrihs Zanders publicēja rakstu, kurā bija iekļauta saules buras tehniskā analīze. Viņš rakstīja par "milzīgu un ļoti plānu spoguļu lokšņu izmantošanu" un "saules gaismas spiedienu, lai sasniegtu kosmiskus ātrumus".
Pirmie oficiālie projekti šīs tehnoloģijas izstrādei aizsākās 1976. gadā Reaktīvās dzinējspēka laboratorijā ierosinātajai satikšanās misijai ar Halija komētu.
Kā darbojas saules bura
Gaisma ietekmē visus transportlīdzekļus, kas atrodas planētas orbītā vai tajāstarpplanētu telpa. Piemēram, parasts kosmosa kuģis, kas dodas uz Marsu, atrastos vairāk nekā 1000 km attālumā no Saules. Šie efekti ir ņemti vērā kosmosa ceļojumu trajektorijas plānošanā kopš pirmā starpplanētu kosmosa kuģa 20. gadsimta 60. gados. Radiācija ietekmē arī transportlīdzekļa stāvokli, un šis faktors ir jāņem vērā kuģa konstrukcijā. Spēks uz saules buru ir 1 ņūtons vai mazāks.
Šīs tehnoloģijas izmantošana ir ērta starpzvaigžņu orbītās, kur jebkura darbība tiek veikta zemā tempā. Vieglās buras spēka vektors ir orientēts pa saules līniju, kas palielina orbītas enerģiju un leņķisko impulsu, liekot kuģim attālināties no saules. Lai mainītu orbītas slīpumu, spēka vektors atrodas ārpus ātruma vektora plaknes.
Pozīcijas vadība
Kosmosa kuģa attieksmes kontroles sistēma (ACS) ir nepieciešama, lai sasniegtu un mainītu vēlamo pozīciju, ceļojot pa Visumu. Iestatītā aparāta pozīcija mainās ļoti lēni, starpplanētu telpā bieži vien mazāk par vienu grādu dienā. Šis process planētu orbītās notiek daudz ātrāk. Vadības sistēmai transportlīdzeklim, kas izmanto saules buru, jāatbilst visām orientācijas prasībām.
Kontrole tiek panākta ar relatīvu nobīdi starp trauka spiediena centru un tā masas centru. To var panākt ar vadības lāpstiņām, pārvietojot atsevišķas buras, pārvietojot kontroles masu vai mainot atstarotājuspējas.
Stāvstāvoklī ir nepieciešams ACS, lai uzturētu neto griezes momentu uz nulles. Buras spēka moments pa trajektoriju nav nemainīgs. Izmaiņas atkarībā no attāluma no saules un leņķa, kas koriģē buras vārpstu un novirza dažus nesošās konstrukcijas elementus, kā rezultātā mainās spēks un griezes moments.
Ierobežojumi
Saules bura nevarēs darboties zemāk par 800 km no Zemes, jo līdz šim attālumam gaisa pretestības spēks pārsniedz vieglā spiediena spēku. Tas ir, saules spiediena ietekme ir vāji pamanāma, un tā vienkārši nedarbosies. Buru kuģa pagrieziena ātrumam jābūt saderīgam ar orbītu, kas parasti ir problēma tikai griežamā diska konfigurācijās.
Darbības temperatūra ir atkarīga no saules attāluma, leņķa, atstarošanas, kā arī priekšējiem un aizmugurējiem radiatoriem. Buru var izmantot tikai tur, kur temperatūra tiek uzturēta materiāla robežās. Parasti to var izmantot diezgan tuvu saulei, aptuveni 0,25 AU, ja kuģis ir rūpīgi izstrādāts šādiem apstākļiem.
Konfigurācija
Ēriks Drekslers no īpaša materiāla izgatavoja saules buras prototipu. Tas ir rāmis ar plānas alumīnija plēves paneli ar biezumu no 30 līdz 100 nanometriem. Bura griežas, un tai pastāvīgi jābūt zem spiediena. Šāda veida konstrukcijām ir liela platība uz masas vienību un tāpēcpaātrinājums "piecdesmit reizes ātrāks" nekā tiem, kuru pamatā ir izvelkamās plastmasas plēves. Tā ir kvadrātveida bura ar mastiem un dubultām līnijām buras tumšajā pusē. Četri krustojoši masti un viens perpendikulārs centram, lai noturētu vadus.
Elektroniskais dizains
Peka Janhunen izgudroja elektrisko buru. Mehāniski tam ir maz kopīga ar tradicionālo gaismas dizainu. Buras tiek aizstātas ar iztaisnotiem vadošiem kabeļiem (vadiem), kas izkārtoti radiāli ap kuģi. Tie rada elektrisko lauku. Tas iestiepjas vairākus desmitus metru apkārtējā saules vēja plazmā. Saules elektronus atstaro elektriskais lauks (tāpat kā fotoni uz tradicionālās saules buras). Kuģi var vadīt, regulējot vadu elektrisko lādiņu. Elektriskajai burai ir 50-100 iztaisnoti vadi, aptuveni 20 km garumā.
No kā tas ir izgatavots?
Materiāls, kas izstrādāts Drekslera saules burai, ir plāna alumīnija plēve, kuras biezums ir 0,1 mikrometrs. Kā gaidīts, tas ir pierādījis pietiekamu izturību un uzticamību lietošanai kosmosā, bet ne salokšanai, palaišanai un izvietošanai.
Visizplatītākais materiāls mūsdienu dizainā ir alumīnija plēve "Kapton" 2 mikronu izmērā. Tas iztur augstu temperatūru Saules tuvumā un ir pietiekami stiprs.
Bija daži teorētiskispekulācijas par molekulārās ražošanas metožu pielietošanu, lai izveidotu progresīvu, spēcīgu, īpaši vieglu buru, kuras pamatā ir nanocauruļu auduma režģi, kur austās "atstarpes" ir mazākas par pusi no gaismas viļņa garuma. Šāds materiāls tika izveidots tikai laboratorijā, un līdzekļi rūpnieciskā mērogā ražošanai vēl nav pieejami.
Vieglā bura paver lieliskas izredzes starpzvaigžņu ceļojumiem. Protams, joprojām ir daudz jautājumu un problēmu, ar kurām būs jāsaskaras, pirms ceļošana pa Visumu ar šādu kosmosa kuģa dizainu kļūst par cilvēcei ierastu lietu.
