science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe zonnezeilen werken

Zonnezeilen gebruiken de energie van de zon om ruimtevaartuigen door de kosmos voort te stuwen. Bekijk meer foto's van ruimteverkenning. Foto met dank aan NASA

Honderden ruimtemissies zijn gelanceerd sinds de laatste maanmissie, waaronder verschillende diepe ruimtesondes die naar de randen van ons zonnestelsel zijn gestuurd. Echter, onze reizen naar de ruimte zijn beperkt door de kracht van chemische raketmotoren en de hoeveelheid raketbrandstof die een ruimtevaartuig kan vervoeren. Vandaag, het gewicht van een spaceshuttle bij de lancering is ongeveer 95 procent brandstof. Wat zouden we kunnen bereiken als we onze behoefte aan zoveel brandstof en de tanks die het bevatten zouden kunnen verminderen?

Internationale ruimteagentschappen en enkele particuliere bedrijven hebben veel transportmethoden voorgesteld waarmee we verder kunnen gaan, maar een bemande ruimtemissie moet nog verder gaan dan de maan. De meest realistische van deze opties voor ruimtevervoer vraagt ​​om de eliminatie van zowel raketbrandstof als raketmotoren - en deze te vervangen door zeilen. Ja, klopt, zeilen.

NASA is een van de organisaties die deze verbazingwekkende technologie, zonnezeilen genaamd, heeft bestudeerd die de kracht van de zon zal gebruiken om ons de verre ruimte in te sturen. In dit artikel, HowStuffWorks laat zien hoe het idee van zonnezeilen is ontstaan, waar NASA en anderen deze technologie testen en hoe ver en snel zonnezeilen ons in het universum kunnen brengen.

Inhoud
  1. Zonnezeilconcept
  2. Materialen voor zonnezeilen
  3. Zonnezeillancering
  4. Toekomstige ruimtevaart

Zonnezeilconcept

Een enkelkwadrant, Het zonnezeilsysteem van 10 meter is volledig ingezet in een vacuümkamer met een diameter van 50 voet in het Langley Research Center van NASA in Hampton, Va. Foto met dank aan NASA/Able Engineering

Bijna 400 jaar geleden, aangezien een groot deel van Europa nog steeds betrokken was bij de verkenning van de wereld door de zee, Johannes Kepler stelde het idee voor om de melkweg te verkennen met behulp van zeilen. Door zijn waarneming dat komeetstaarten rond werden geblazen door een soort zonnewind, hij geloofde dat zeilen die wind konden vangen om ruimtevaartuigen voort te stuwen zoals wind schepen op de oceanen bewoog. Hoewel Keplers idee van een zonnewind is weerlegd, wetenschappers hebben sindsdien ontdekt dat zonlicht voldoende kracht uitoefent om objecten te verplaatsen. Om van deze kracht te profiteren, NASA heeft geëxperimenteerd met gigantische zonnezeilen die door licht door de kosmos kunnen worden geduwd.

Een door zonne-energie aangedreven ruimtevaartuig bestaat uit drie componenten:

  • Continue kracht uitgeoefend door zonlicht
  • Een grote, ultradunne spiegel
  • Een apart draagraket

Een door zonne-energie aangedreven ruimtevaartuig heeft geen traditioneel drijfgas nodig voor stroom, omdat zijn drijfgas zonlicht is en de zon zijn motor. Licht bestaat uit elektromagnetische straling die kracht uitoefent op objecten waarmee het in contact komt. NASA-onderzoekers hebben ontdekt dat bij 1 astronomische eenheid (AU), dat is de afstand van de zon tot de aarde, gelijk aan 93 miljoen mijl (150 miljoen km), zonlicht kan ongeveer 1,4 kilowatt (kw) vermogen produceren. Als je 1,4 kw neemt en dit deelt door de lichtsnelheid, je zou ontdekken dat de kracht die door de zon wordt uitgeoefend ongeveer 9 newton (N)/vierkante mijl is (d.w.z. 2 lb/km 2 of 0,78 lb/mi 2 ). In vergelijking, een hoofdmotor van een spaceshuttle kan 1,67 miljoen N kracht produceren tijdens het opstijgen en 2,1 miljoen N stuwkracht in een vacuüm. Eventueel, echter, de continue kracht van het zonlicht op een zonnezeil zou een ruimtevaartuig kunnen voortstuwen tot snelheden die vijf keer sneller zijn dan traditionele raketten.

Nutsvoorzieningen, laten we die zeilen eens nader bekijken.

Implementatie en lancering

NASA's zonnezeilvoortstuwingsteam en industriepartner, Able Engineering heeft hun zonnezeilsysteem met succes ingezet in het Langley Research Center tijdens een testperiode van vijf weken van april tot mei 2004. Daarna, in juli 2004, NASA's zonnezeilvoortstuwingsteam en industriepartner, L'Garde, Inc., zagen ook een succesvolle inzet van hun zonnezeilsysteem bij Glenn Research Center.

In augustus 2004, twee grote zonnezeilen werden gelanceerd en in de ruimte ingezet door het Japanse Aerospace Exploration Agency.

Lees verder

Materialen voor zonnezeilen

Een vierkwadrant zonnezeilsysteem gemaakt door NASA's zonnezeil voortstuwingsteam in het Marshall Space Flight Center in Huntsville, Helaas, en zijn branchepartner, L'Garde, Inc. is volledig ingezet in een vacuümkamer met een diameter van 30 meter in het Glenn Research Center van NASA. Foto met dank aan NASA/L'Garde

Terwijl zonnezeilen al eerder zijn ontworpen (NASA's hadden in de jaren 70 een zonnezeilprogramma), materialen die tot het laatste decennium beschikbaar waren, waren veel te zwaar om een ​​praktisch zeilvoertuig op zonne-energie te ontwerpen. Behalve dat het lichtgewicht is, het materiaal moet sterk reflecterend zijn en bestand zijn tegen extreme temperaturen. De gigantische zeilen die vandaag door NASA worden getest, zijn gemaakt van zeer lichtgewicht, reflecterend materiaal dat meer dan 100 keer dunner is dan een gemiddeld vel briefpapier. Deze "gealuminiseerde, temperatuurbestendig materiaal" heet CP-1 . Een andere organisatie die zonnezeiltechnologie ontwikkelt, de Planetary Society (een particuliere, non-profit groep gevestigd in Pasadena, Californië), ondersteunt de Kosmos 1 , die beschikt over zonnezeilen die zijn gemaakt van met aluminium versterkt Mylar en ongeveer een vierde van de dikte zijn van een eenlaagse plastic vuilniszak.

Het reflecterende karakter van de zeilen staat centraal. Als fotonen (lichtdeeltjes) weerkaatsen op het reflecterende materiaal, ze duwen het zeil zachtjes voort door het momentum over te brengen op het zeil. Omdat er zoveel fotonen zijn uit zonlicht, en omdat ze constant het zeil raken, er wordt een constante druk (kracht per oppervlakte-eenheid) op het zeil uitgeoefend die een constante versnelling van het ruimtevaartuig veroorzaakt. Hoewel de kracht op een ruimtevaartuig met zonnezeil kleiner is dan die van een conventionele chemische raket, zoals de spaceshuttle, het ruimtevaartuig met zonnezeil versnelt constant in de loop van de tijd en bereikt een grotere snelheid.

Je vraagt ​​je misschien af ​​wat er gebeurt als het ruimtevaartuig zich ver van zonlicht bevindt. Een laser aan boord kan het overnemen om de zeilen van de nodige voortstuwing te voorzien.

Zonne-energie - check. Zonnezeilen - check. Maar hoe krijgen we de zeilen en hun ruimtevaartuig de ruimte in? Laten we kijken.

Wil je gaten in het zeil?

Les Johnson, van het Marshall Space Flight Center, houdt vast, lichtgewicht koolstofvezelmateriaal dat veel zonnezeilwetenschappers tot nadenken zette. Deze vezel wijkt af van het standaard zonnezeilmateriaal omdat het ongeveer 200 keer dikker is. Maar, duizenden kleine gaatjes zorgen ervoor dat het ongeveer hetzelfde weegt als de dunste zonnezeilmaterialen die worden getest.

Zonnezeillancering

Een vierkwadrant, 20-meter zonnezeilsysteem is volledig ingezet tijdens tests in de Plum Brook-faciliteit van NASA Glenn Research Center in Sandusky, Ohio. Foto met dank aan NASA

Met alleen zonlicht als kracht, een zonnezeil zou nooit rechtstreeks vanaf de grond worden gelanceerd. Er is een tweede ruimtevaartuig nodig om het zonnezeil te lanceren, die dan in de ruimte zou worden ingezet. Een andere mogelijke manier om een ​​zonnezeil te lanceren is met microgolf- of laserstralen van een satelliet of ander ruimtevaartuig. Deze energiestralen kunnen op het zeil worden gericht om het de ruimte in te lanceren en tijdens zijn reis een secundaire krachtbron te bieden. In een experiment bij NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), zeilen werden gedreven om op te stijgen met behulp van microgolfstralen, terwijl laserstralen werden gebruikt om het zeil naar voren te duwen.

Eenmaal gelanceerd, de zeilen worden ingezet met behulp van een opblaasbaar gieksysteem dat wordt geactiveerd door een ingebouwd plaatsingsmechanisme.

Kosmos 1

Kosmos 1, het door zonne-zeil aangedreven ruimtevaartuig van de Planetary Society, zal worden gelanceerd vanaf een ondergedompelde Russische onderzeeër in de Barentszzee. Eenmaal gelanceerd, de 220,5-pond (100 kg) Cosmos 1 krijgt een boost van een "kick-motor" - waardoor hij ongeveer 885 km boven de aarde in een baan om de aarde wordt gebracht.

Toekomstige ruimtevaart

Zonnezeilen zullen nieuwe snelheidsrecords vestigen voor ruimtevaartuigen en zullen ons in staat stellen om buiten ons zonnestelsel te reizen.

Zonnezeiltechnologie zal uiteindelijk een sleutelrol spelen bij NASA-missies over lange afstanden. Maar hoe ver kunnen deze zonnezeilen ons brengen en hoe snel brengen ze ons daar?

Zoals we in het laatste gedeelte ontdekten, zonnezeilen zouden aanvankelijk niet worden aangedreven door de hoeveelheid kracht die wordt gebruikt om de spaceshuttle te lanceren. NASA gelooft dat de verkenning van de ruimte vergelijkbaar is met het verhaal van de "schildpad en de haas, " met raketaangedreven ruimtevaartuigen als de haas. In deze race, het raketaangedreven ruimtevaartuig zal er snel uit springen, snel op weg naar zijn bestemming. Anderzijds, een raketloos ruimtevaartuig aangedreven door een zonnezeil zou zijn reis langzaam maar gestaag beginnen, neemt geleidelijk aan snelheid op terwijl de zon er kracht op blijft uitoefenen. Vroeger of later, hoe snel het ook gaat, het raketschip zal zonder stroom komen te zitten. In tegenstelling tot, het zonnezeilvaartuig heeft een eindeloze stroom van stroom van de zon. Aanvullend, het zonnezeil kan mogelijk terugkeren naar de aarde, terwijl het raketaangedreven voertuig geen drijfgas zou hebben om het terug te brengen.

Terwijl het door het zonlicht wordt geduwd, het zonne-zeilaangedreven voertuig zal snelheden opbouwen die raketaangedreven voertuigen nooit zouden kunnen bereiken. Zo'n voertuig zou uiteindelijk ongeveer 90 km/sec rijden, wat meer dan 200 zou zijn, 000 mph (324, 000 km/u). Die snelheid is ongeveer 10 keer sneller dan de omloopsnelheid van de spaceshuttle van 8 km/sec. Om je een idee te geven hoe snel dat is, je zou in minder dan een minuut van New York naar Los Angeles kunnen reizen met een zonnezeilvoertuig dat op topsnelheid rijdt.

Als NASA een interstellaire sonde zou lanceren die wordt aangedreven door zonnezeilen, het zou slechts acht jaar duren voordat het het Voyager 1-ruimtevaartuig (het verst verwijderde ruimtevaartuig van de aarde) zou kunnen vangen, die al meer dan 20 jaar op reis is. Door een laser- of magnetische straalzender toe te voegen, NASA zei dat het de snelheden naar 18 zou kunnen verhogen, 600 mijl/sec (30, 000 km/sec), dat is een tiende van de snelheid van het licht. Bij die snelheden interstellaire reizen zou bijna zeker zijn.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Hoe Solar Sail-technologie werkt
  • Hoe licht werkt
  • Hoe raketmotoren werken
  • Hoe satellieten werken
  • Hoe Space Shuttles werken
  • Hoe de zon werkt
  • Hoe ruimteliften zullen werken
  • Hoe lichte voortstuwing zal werken
  • Hoe opblaasbaar ruimtevaartuig zal werken
  • Hoe antimaterie-ruimtevaartuigen zullen werken
  • Hoe Fusion Propulsion zal werken
  • NASA

Meer geweldige links

  • NASA-team implementeert met succes twee zonnezeilsystemen
  • De planetaire samenleving
  • Het Solar Sail-project van de Planetary Society

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Producten vervaardigd door Anaerobe Ademhaling
  2. Energiestroom (ecosysteem): definitie, proces en voorbeelden (met diagram)
  3. Onderscheid Rigor Mortis van een Cadaveric Spasm
  4. Biotechnologie en genetische manipulatie: een overzicht
  5. Stappen van DNA Transcriptie
  6. Bacteriën: definitie, soorten en voorbeelden
  7. Uitvindingen in 1947
  8. Een dierlijk celmodel maken met recyclebaar materiaal
  9. Aleppo-momenten:wat zorgt ervoor dat onze hersenen onder druk bevriezen?

Wetenschap