We kennen allemaal het idee van zonnezeilen om het zonnestelsel te verkennen, met behulp van de lichte druk van de zon. Maar er is een ander aandrijfsysteem dat de kracht van de zon kan benutten, elektrische zeilen, en het is een behoorlijk spannend idee.

Een paar weken geleden, Ik heb een vraag beantwoord die iemand had over mijn favoriete exotische voortstuwingssystemen, en ik rammelde een paar ideeën die ik spannend vind:zonnezeilen, nucleaire raketten, ionen motoren, enz. Maar er is nog een ander aandrijfsysteem dat steeds opkomt, en ik was helemaal vergeten te vermelden, maar het is een van de beste ideeën die ik in tijden heb gehoord:elektrische zeilen.

Zoals je waarschijnlijk weet, een zonnezeil werkt door gebruik te maken van de fotonen van licht dat van de zon straalt. Hoewel fotonen massaloos zijn, ze hebben vaart, en kan het overbrengen wanneer ze weerkaatsen op een reflecterend oppervlak.

Naast licht, de zon blaast ook een gestage stroom geladen deeltjes weg - de zonnewind. Een team van ingenieurs uit Finland, geleid door Dr. Pekka Janhunen, heeft voorgesteld een elektrisch zeil te bouwen dat deze deeltjes zal gebruiken om ruimtevaartuigen het zonnestelsel in te voeren.

Om te begrijpen hoe dit werkt, Ik moet een paar concepten in je brein stoppen.

Eerst, de zon. Die dodelijke stralingsbal in de lucht. Zoals je waarschijnlijk weet, er is een gestage stroom van geladen deeltjes, voornamelijk elektronen en protonen, alle kanten op wegglijden van de zon.

Astronomen weten niet helemaal zeker hoe, maar een mechanisme in de corona van de zon, zijn bovenste atmosfeer, versnelt deze deeltjes op een ontsnappingssnelheid. Hun snelheid varieert van 250 tot 750 km/s.

De zonnewind beweegt weg van de zon, en de ruimte in. We zien de effecten ervan op kometen, ze hun karakteristieke staarten geven, en het vormt een bel rond het zonnestelsel die bekend staat als de heliosfeer. Hier ontmoet de zonnewind van de zon de collectieve zonnewinden van de andere sterren in de Melkweg.

In feite, NASA's Voyager-ruimtevaartuig is onlangs door dit gebied gereisd, eindelijk hun weg vinden naar de interstellaire ruimte.

De zonnewind veroorzaakt wel een directe druk, als een echte wind, maar het is ongelooflijk zwak, een fractie van de lichte druk die een zonnezeil ervaart.

Maar de zonnewind is negatief geladen, en dit is de sleutel.

Een elektrisch zeil werkt door een ongelooflijk dunne draad uit te rollen, slechts 25 micron dik, maar 20 kilometer lang. Het ruimtevaartuig is uitgerust met zonnepanelen en een elektronenkanon dat slechts een paar honderd watt nodig heeft om te draaien.

Door elektronen de ruimte in te schieten, het ruimtevaartuig handhaaft een zeer positief geladen toestand. Als de negatief geladen deeltjes van de zon de positief geladen ketting ontmoeten, ze "zien" het een enorm obstakel van 100 meter breed, en er tegenaan botsen.

Door hun momentum aan de ketting en het ruimtevaartuig te geven, de ionen versnellen het weg van de zon.

De hoeveelheid versnelling is erg zwak, maar het is constante druk van de zon en kan over een lange periode oplopen. Bijvoorbeeld, als een ruimtevaartuig van 1000 kg 100 van deze draden in alle richtingen had, het zou een versnelling van 1 mm per seconde per seconde kunnen ontvangen.

In de eerste seconde reist het 1 mm, en dan 2 mm in de volgende seconde, enz. In de loop van een jaar, dit ruimtevaartuig zou 30 km/s kunnen gaan. Even ter vergelijking, het snelste ruimtevaartuig dat er is, NASA's Voyager 1, gaat slechts ongeveer 17 km/s. Dus, veel sneller, zeker op een ontsnappingssnelheid uit het zonnestelsel.

Een van de nadelen van de methode, eigenlijk, is dat het niet zal werken in de magnetosfeer van de aarde. Dus een elektrisch, door een zeil aangedreven ruimtevaartuig zou door een traditionele raket van de aarde moeten worden weggedragen voordat het zijn zeil zou kunnen ontvouwen en de verre ruimte in kan gaan.

Ik weet zeker dat je je afvraagt ​​of dit een enkele reis is om weg te zijn van de zon, maar dat is het eigenlijk niet. Net als bij zonnezeilen, een elektrisch zeil kan worden gezwenkt. Afhankelijk van welke kant van het zeil de zonnewind raakt, it either raises or lowers the spacecraft's orbit from the sun.

Strike the sail on one side and you raise its orbit to travel to the outer solar system. But you could also strike the other side and lower its orbit, allowing it to journey down into the inner solar system. It's an incredibly versatile propulsion system, and the sun does all the work.

Although this sounds like science fiction, there are actually some tests in the works. An Estonian prototype satellite was launched back in 2013, but its motor failed to reel out the tether. The Finnish Aalto-1 satellite was launched in June 2017, and one of its experiments is to test out an electric sail.

We should find out if the technique is viable later this year.

It's not just the Finns who are considering this propulsion system. in 2015, NASA announced that they had awarded a Phase II Innovative Advanced Concepts grant to Dr. Pekka Janhunen and his team to explore how this technology could be used to reach the outer solar system in less time than other methods.

The Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, or HERTS spacecraft would extend 20 of these electric tethers outward from the center, forming a huge circular electric sail to catch the solar wind. By slowly rotating the spacecraft, the centrifugal forces will stretch the tethers out into this circular shape.

With its positive charge, each tether acts like a huge barrier to the solar wind, giving the spacecraft an effective surface area of 600 square kilometers once it launches from the Earth. As it gets farther, from Earth, Hoewel, its effective area increases to the equivalent of 1, 200 square km by the time it reaches Jupiter.

When a solar sail starts to lose power, an electric sail just keeps accelerating. In feite, it would keep accelerating out past the orbit of Uranus.

If the technology works out, the HERTS mission could reach the heliopause in just 10 years. It took Voyager 1 35 years to reach this distance, 121 astronomical units from the sun.

But what about steering? By changing the voltage on each wire as the spacecraft rotates, you could have the whole sail interact differently on one side or the other to the solar wind. You could steer the whole spacecraft like the sails on a boat.

In september 2017, a team of researchers with the Finnish Meteorological Institute announced a pretty radical idea for how they might be able to use electric sails to comprehensively explore the asteroid belt.

Instead of a single spacecraft, they proposed building a fleet of 50 separate 5-kg satellites. Each one would reel out its own 20 km-long tether and catch the sun's solar wind. Over the course of a 3-year mission, the spacecraft would travel out to the asteroid belt, and visit several different space rocks. The full fleet would probably be able to explore 300 separate objects.

Each spacecraft would be equipped with a small telescope with only a 40 mm aperture. That's about the size of a spotting scope, or half a pair of binoculars, but it would be enough to resolve features on the surface of an asteroid as small as 100 meters across. They'd also have an infrared spectrometer to be able to determine what minerals each asteroid is made of.

That's a great way to find that $10 trillion asteroid made of solid platinum.

Because the spacecraft would be too small to communicate all the way back to Earth, they'd need to store the data on board, and then transmit everything once they came past our planet 3 years later.

The planetary scientists I've talked to love the idea of being able to survey this many different objects at the same time, and the electric sail idea is one of the most efficient methods to do it.

Volgens de onderzoekers is they could do the mission for about $70 million, bringing the cost to analyze each asteroid down to about $240, 000. That would be cheap compared to any other method proposed of studying asteroids.

Space exploration uses traditional chemical rockets because they're known and reliable. Sure they have their shortcomings, but they've taken us across the solar system, to billions of kilometers away from Earth.

But there are other forms of propulsion in the works, like the electric sail. And over the coming decades, we're going to see more and more of these ideas put to the test. A fuel free propulsion system that can carry a spacecraft into the outer reaches of the solar system? Yes please.