science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe lichte voortstuwing zal werken

Een vroeg model van een laser-aangedreven lichtvaartuig Foto met dank aan Rensselaer Polytechnisch Instituut

Meer dan 20 jaar geleden, de Verenigde Staten begonnen een raketafweersysteem te ontwikkelen dat de bijnaam "Star Wars" kreeg. Dit systeem is ontworpen om door het buitenland gelanceerde raketten te volgen en te gebruiken met lasers. Hoewel dit systeem is ontworpen voor oorlog, onderzoekers hebben veel andere toepassingen gevonden voor deze krachtige lasers. In feite, lasers zouden ooit kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen in een baan om de aarde en naar andere planeten te stuwen.

Om de ruimte te bereiken, we gebruiken momenteel de space shuttle, die tonnen brandstof moet vervoeren en waaraan twee enorme raketboosters zijn vastgemaakt om van de grond te komen. Met lasers zouden ingenieurs lichtere ruimtevaartuigen kunnen ontwikkelen die geen energiebron aan boord nodig hebben. De lichtvaartuigen voertuig zelf zou fungeren als de motor, en licht - een van de meest voorkomende energiebronnen van het universum - zou de brandstof zijn.

Een lichtschip in actie. Het heldere licht dat je ziet, is de lucht die onder de rand van het vaartuig verbrandt. Foto met dank aan Rensselaer

Het basisidee achter lichtvoortstuwing is het gebruik van op de grond gebaseerde lasers om lucht te verwarmen tot het punt dat het explodeert, voortstuwen van het ruimtevaartuig. Als het werkt, lichte voortstuwing zal duizenden keren lichter en efficiënter zijn dan chemische raketmotoren, en zal nul vervuiling veroorzaken. In deze editie van Hoe dingen ZULLEN werken , we bekijken twee versies van dit geavanceerde voortstuwingssysteem -- één kan ons in slechts vijf en een half uur van de aarde naar de maan brengen, en de andere zou ons kunnen meenemen op een rondleiding door het zonnestelsel op 'snelwegen van licht'.

Laser-aangedreven Lightcraft

Terwijl de laser pulseert, het oververhit de lucht totdat het verbrandt. Elke keer dat de lucht verbrandt, het creëert een lichtflits, zoals te zien op deze foto van een testvlucht. Foto met dank aan Rensselaer

Lichtaangedreven raketten klinken als iets uit sciencefiction -- ruimtevaartuigen die op een laserstraal de ruimte in rijden, vereisen weinig of geen drijfgas aan boord en veroorzaken geen vervuiling. Klinkt nogal vergezocht, gezien het feit dat we niets hebben kunnen ontwikkelen dat in de buurt komt van dat voor conventionele grond- of luchtreizen op aarde. Maar hoewel het nog 15 tot 30 jaar kan duren, de principes achter de lightcraft zijn al meerdere keren met succes getest. Een bedrijf genaamd Lightcraft Technologies blijft het onderzoek verfijnen dat begon bij het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, NY

Het basisidee voor het lichtvaartuig is eenvoudig - het eikelvormige vaartuig gebruikt spiegels om de binnenkomende laserstraal te ontvangen en te focussen om lucht te verwarmen, die explodeert om het vaartuig voort te stuwen. Hier is een blik op de basiscomponenten van dit revolutionaire voortstuwingssysteem:

  • Kooldioxide laser - Lightcraft Technologies maakt gebruik van een Pulsed Laser Vulnerability Test System (PLVTS), een nakomeling van het Star Wars-verdedigingsprogramma. De gepulseerde laser van 10 kW die wordt gebruikt voor de experimentele lichtvaartuigen, is een van de krachtigste ter wereld.
  • Parabolische spiegel - De onderkant van het ruimtevaartuig is een spiegel die de laserstraal in de motorlucht of het drijfgas aan boord richt. een secundaire, op de grond gebaseerde zender, telescoopachtige spiegel wordt gebruikt om de laserstraal op het lichtvaartuig te richten.
  • Absorptiekamer: - De inlaatlucht wordt in deze kamer geleid waar het wordt verwarmd door de straal, breidt uit en stuwt het lichtvaartuig voort.
  • waterstof aan boord - Een kleine hoeveelheid waterstofstuwstof is nodig voor raketstuwkracht wanneer de atmosfeer te dun is om voldoende lucht te leveren.

Voorafgaand aan de lancering, een straal perslucht wordt gebruikt om het vaartuig tot ongeveer 10 te laten draaien, 000 omwentelingen per minuut (RPM's). De spin is nodig om het vaartuig gyroscopisch te stabiliseren. Denk aan voetbal:een quarterback past spin toe bij het passeren van een voetbal om een ​​nauwkeurigere pass te gooien. Wanneer spin wordt toegepast op dit extreem lichtgewicht vaartuig, hierdoor kan het vaartuig met meer stabiliteit door de lucht snijden. Klik hier om een ​​video van het lichtschip in actie te zien. (De gratis Windows Media Player versie 6.4 of hoger is nodig om de video te bekijken.).

Zodra het lichtvaartuig met een optimale snelheid draait, de laser is ingeschakeld, het lichtschip de lucht in schieten. De laser van 10 kilowatt pulseert met een snelheid van 25-28 keer per seconde. Door te pulseren, de laser blijft het vaartuig omhoog duwen. De lichtstraal wordt gefocust door de parabolische spiegel aan de onderkant van het vaartuig, die de lucht verwarmt tot tussen de 18, 000 en 54, 000 graden Fahrenheit (9, 982 en 29, 982 graden Celsius) -- dat is meerdere keren heter dan het oppervlak van de zon. Als je lucht verwarmt tot deze hoge temperaturen, het wordt omgezet in een plasmatoestand - dit plasma explodeert vervolgens om het vaartuig omhoog te stuwen.

Lightcraft-technologieën, Inc., met FINDS-sponsoring - eerdere vluchten werden gefinancierd door NASA en de Amerikaanse luchtmacht - heeft verschillende keren een klein prototype-lichtvaartuig getest op de White Sands raketbaan in Nieuw-Mexico. In oktober 2000, het miniatuurlichtvaartuig, met een diameter van 4,8 inch (12,2 cm) en weegt slechts 1,76 ounces (50 gram), bereikte een hoogte van 233 voet (71 meter). Ergens in 2001, Lightcraft Technologies hoopt het prototype van de lightcraft naar een hoogte van ongeveer 150 voet te sturen. Er is een laser van 1 megawatt nodig om een ​​satelliet van één kilogram in een lage baan om de aarde te brengen. Hoewel het model is gemaakt van aluminium van vliegtuigkwaliteit, de laatste, full-size lightcraft zal waarschijnlijk worden opgebouwd uit silicium carbide .

Dit laserlichtvaartuig kan ook spiegels gebruiken, gelegen in het ambacht, om een ​​deel van de gestraalde energie voor het schip uit te projecteren. De hitte van de laserstraal zou een luchtpiek creëren die een deel van de lucht langs het schip zou leiden, waardoor de weerstand wordt verminderd en de hoeveelheid warmte die door het lichtvaartuig wordt geabsorbeerd, wordt verminderd.

Magnetron-aangedreven Lightcraft

Door microgolven aangedreven lichtvaartuigen zullen afhankelijk zijn van in een baan rond de aarde draaiende krachtcentrales. Foto met dank aan NASA

Een ander voortstuwingssysteem dat wordt overwogen voor een andere klasse van lichte vaartuigen, omvat het gebruik van microgolven. Microgolfenergie is goedkoper dan laserenergie, en gemakkelijker op te schalen naar hogere machten, maar er zou een schip nodig zijn met een grotere diameter. Lightcrafts die voor deze voortstuwing worden ontworpen, lijken meer op vliegende schotels (nu gaan we echt het rijk van science fiction in). Deze technologie zal meer jaren nodig hebben om zich te ontwikkelen dan de laser-aangedreven lichtvaartuigen, maar het kan ons naar de buitenste planeten brengen. Ontwikkelaars stellen zich ook duizenden van deze lichte vaartuigen voor, aangedreven door een vloot van in een baan om de aarde draaiende krachtcentrales, dat het conventionele vliegreizen zal vervangen.

Een door microgolven aangedreven lichtvaartuig zal ook gebruikmaken van een stroombron die niet in het schip is geïntegreerd. Met het laseraangedreven voortstuwingssysteem, de stroombron is op de grond. Het voortstuwingssysteem van de magnetron zal dat omdraaien. Het microgolf-aangedreven ruimtevaartuig zal afhankelijk zijn van energie die vanuit een baan om de aarde wordt gestraald, zonnecentrales. In plaats van weggedreven te worden van zijn energiebron, de energiebron zal het lichtvaartuig naar binnen trekken.

Voordat dit microgolflichtvaartuig kan vliegen, wetenschappers zullen een zonne-energiecentrale met een diameter van 1 kilometer (0,62 mijl) in een baan om de aarde moeten brengen. Leik Myrabo , die het onderzoek naar lichtvaartuigen leidt, is van mening dat een dergelijke krachtcentrale tot 20 gigawatt aan stroom kan opwekken. In een baan rond 310 mijl (500 km) boven de aarde, deze krachtcentrale zou microgolfenergie naar een 20 meter lange, schijfvormig lichtvaartuig dat 12 mensen zou kunnen vervoeren. Miljoenen kleine antennes die de bovenkant van het vaartuig bedekken, zouden de microgolven in elektriciteit omzetten. In slechts twee banen, de centrale zou er 1 kunnen verzamelen 800 gigajoule aan energie en straal 4,3 gigawatt aan stroom naar het lichtvaartuig voor de rit naar een baan om de aarde.

Het microgolflichtvaartuig zou worden uitgerust met twee krachtige magneten en drie soorten voortstuwingsmotoren. Zonnepanelen, de bovenkant van het schip bedekken, zou door het lichtvaartuig bij de lancering worden gebruikt om elektriciteit te produceren. De elektriciteit zou dan de lucht ioniseren en het vaartuig voortstuwen om passagiers op te pikken. Zodra het is gelanceerd, het microgolflichtvaartuig gebruikte zijn interne reflector om de lucht eromheen te verwarmen en door de geluidsbarrière te duwen.

Eenmaal op grote hoogte, het zou zijwaarts kantelen voor hypersonische snelheden. De helft van het microgolfvermogen kan dan voor het schip worden gereflecteerd om de lucht te verwarmen en een luchtpiek te creëren, waardoor het schip met tot 25 keer de geluidssnelheid door de lucht kan snijden en in een baan om de aarde kan vliegen. De topsnelheid van het vaartuig piekt op ongeveer 50 keer de snelheid van het geluid. De andere helft van het microgolfvermogen wordt omgezet in elektriciteit door de ontvangstantennes van het vaartuig, en gebruikt om zijn twee elektromagnetische motoren van energie te voorzien. Deze motoren versnellen vervolgens de slipstream, of de lucht die rond het vaartuig stroomt. Door de slipstream te versnellen, kan het vaartuig elke sonische knal opheffen, waardoor het lichtvaartuig volledig stil is bij supersonische snelheden.

Veel meer informatie

Gerelateerde HSW-artikelen

  • Hoe lasers werken
  • Hoe licht werkt
  • Hoe Space Shuttles werken
  • Hoe ruimteliften zullen werken
  • Hoe luchtademende raketten zullen werken
  • Hoe zonnezeilen werken
  • Hoe dingen ZULLEN werken

Meer geweldige links

  • Lightcraft-technologieën, Inc.
  • Science@NASA:Rijden op de snelwegen van het licht
  • ABC News:Lasers de ruimte in rijden
  • Scientific American:Highways of Light

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe een zevende-graadsmodel van een dierencel te bouwen
  2. Hoe jaloezie werkt
  3. Wat zijn Agar Slants?
  4. Hoe raden werkt
  5. Saharastof:het goede,
  6. Wat volgt glycolyse als zuurstof aanwezig is?
  7. Een enzym dat de vorming van het DNA katalyseert Molecuul
  8. Zijn mannen of vrouwen gelukkiger?
  9. Hoe creëren de hersenen een ononderbroken kijk op de wereld?

Wetenschap