Plachtění kosmickým prostorem může leckomu znít jako něco ze sci-fi, ale tento koncept už dávno opustil stránky knih či stříbrné plátno. Ještě tento měsíc by měla být pomocí rakety Electron vynesena technologie Advanced Composite Solar Sail System pro sluneční plachtění nové generace. Po startu ze startovního komplexu 1 na Novém Zélandu by tato technologie mohla přinést významné pokroky pro budoucí kosmické cestování a lepší chápání našeho Slunce i celé Sluneční soustavy. Sluneční plachetnice využívají jako pohon tlak slunečního záření a mohou se podle potřeby otočit ke Slunci (nebo opačně), aby se od jejich odrazivé plachty odrážely fotony, což sondou pohne. Tato metoda eliminuje těžké pohonné systémy a může umožnit dlouhodobější a levnější mise. Ačkoliv dojde ke snížení hmotnosti, sluneční plachetnice byly limitovány materiálem a strukturou svých ramen, která slouží velmi podobně jako stěžně klasických plachetnic. A právě to by NASA chtěla do budoucna změnit.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
K demonstraci zařízení Advanced Composite Solar Sail System se využije 12U CubeSat postavený firmou NanoAvionics, který otestuje nový kompozitní nosník z ohebného polymeru a uhlíkových vláken, který by měl být tužší než v případě předešlých designů nosníků. Primárním úkolem mise je úspěšně demonstrovat vysunutí nosníku, ale tým věří, že poté bude možné prověřit parametry samotné plachty. Stejně jako skutečná plachetnice otáčí svou plachtu, aby zachytila vítr, může sluneční plachetnice upravovat svou dráhu tím, že naklání svou plachtu. Po vyhodnocení úspěšnosti vysunutí ramene má mise provést sérii testovacích manévrů, které by měly změnit oběžnou dráhu CubeSatu a nasbírat data pro budoucí mise s ještě většími plachtami.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
„Nosníky bývaly buďto těžké a kovové nebo z lehkých kompozitů, ale s objemným designem. Ani jedno přitom nejde dohromady s dnešním trendem malých družic. Sluneční plachetnice vyžadují opravdu velké, stabilní a přitom lehké nosníky, které je možné kompaktně složit,“ vysvětluje Keats Wilkie, hlavní řešitel mise z Langley Research Center v Hampton ve Virginii a dodává: „U této plachetnice jsou nosníky válcovité a mohou být zmáčknuté do plocha, ale i svinuté jako pásmové měřidlo, takže zabírají málo místa a přitom nabízejí všechny výhody kompozitních materiálů jako jsou menší ohyby během teplotních změn.“
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Po dosažení sun-synchronní dráhy cca 1000 kilometrů vysoko začne CubeSat vysouvat svá kompozitní ramena připojená ke čtyřem vrcholům polymerové plachty. Ramena tedy vytvoří úhlopříčky plachty. Po zhruba 25 minutách bude sluneční plachta plně rozložena a dosáhne tak plochy 80 metrů čtverečních, což NASA přirovnává zhruba k šesti parkovacím místům. Kamery na CubeSatu mají zachytit proces rozkládání a sledovat její tvar a symetrii během celé fáze. Takto velká plachta by mohla být vidět i ze Země, ale jen za dobrých podmínek. Po plném rozložení a při optimální orientaci Slunce, plachty a pozorovatele by mohl odrazivý povrch plachty vytvořit tečku na obloze s jasností podobnou hvězdě Sirius, což je nejjasnější hvězda noční oblohy.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
„Sedmimetrové výsuvné rameno se dá stočit do tvaru, který se Vám vejde do dlaně,“ popisuje Alan Rhodes, vedoucí systémový inženýr této mise z Ames Research Center v Kalifornském Silicon Valley a dodává: „Věříme, že nová technologie na této družici inspiruje ostatní k tomu, aby ji využili způsoby, o kterých jsme zatím ani neuvažovali.“ Díky programu NASA Small Spacecraft Technology program by úspěšné vysunutí provoz lehkých kompozitních ramen sluneční plachty mohlo prokázat možnosti této technologie a otevřít dveře k větším misím, které by mohly zamířit k Měsíci, Marsu, ale i dál.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Inovativní návrh ramen by teoreticky mohl najít uplatnění na plachtách s plochou až 500 metrů čtverečních, což se dá přirovnat k basketbalovému kurtu. Technologie, která by mohla být výsledkem úspěchu mise, by mohla podporovat plachty o ploše až 2 000 metrů čtverečních, což už je čtvrtina fotbalového hřiště. „Slunce bude svítit ještě pár miliard let, takže tu máme neomezený zdroj pohonu. Namísto vynášení masivních nádrží s pohonnými látkami by mohly budoucí mise použít větší plachty a vsadit na „palivo“, které už je dostupné,“ popisuje Rhodes a dodává: „Chceme demonstrovat systém, který by využil tohoto dostupného zdroje, abychom udělali další velký skok v průzkumu a vědě.“
Jelikož plachetnice využívají energie ze Slunce, mohou poskytovat konstantní tah pro mise, které vyžadují jedinečné umístění. Jedná se třeba o mise, které se snaží porozumět našemu Slunci a jeho vlivu na Zemi. Sluneční plachetnice byly dlouho žádanou technologií pro mise, které by mohly nést systémy včasného varování pro sledování kosmického počasí. Sluneční bouře a výrony koronální hmoty mohou na Zemi způsobit značné škody, přetížit elektrické sítě, narušit rádiovou komunikaci a ovlivnit letadla i kosmické lodě.
Budoucnost kompozitních ramen může i přesáhnout možnosti slunečního plachtění. Design s lehkou konstrukcí, kterou je možno snadno složit, se jeví jako perfektní pro konstrukci obytných modulů na Měsíci a Marsu. Sloužil by jako rámová struktura, či kompaktní tyč antény k vytvoření komunikační sítě, kterou by využívali astronauti studující povrch Měsíce. „Tato technologie zažehává představivost, mění způsob uvažování o celé myšlence slunečního plachtění a jeho aplikacích do kosmického cestování,“ říká Rudy Aquilina projektový manažer misí slunečních plachetnic na Ames Research Center a dodává: „Demonstrace schopností slunečních plachetnic a lehkých kompozitních ramen je dalším krokem ve využívání této technologie k inspirování budoucích misí.“
Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/
Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2024/04/acs3-solarsailsunrise.png
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2021/06/acs3-solar-sail.png
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2024/04/acd24-0020-024.jpg
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2021/06/acs3-image2.png
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2021/06/acs3-web-1.gif
Úžasná doba v kozmonautike a krásny článok, ďakujem.
Premýšľam nad vetou „Sluneční plachetnice využívají jako pohon tlak slunečního záření a mohou se podle potřeby otočit ke Slunci (nebo opačně)aby se od jejich odrazivé plachty odrážely fotony, což sondou pohne.“ Je to myslené tak, že v jednom prípade plachta tlačí a v druhom prípade ťahá? Predpokladám, že pohyb je vždy od Slnka resp. hviezdy. Taktiež ma zaujala možnosť úpravy dráhy natáčaním plachty. To bude naozaj fungovať v kozmickom riedkom prostredí? Točivý moment na rotáciu sondy sa získa určite, ale zmena dráhy? Vedel by niekto orientačne spočítať, akú silu je možné získať slnečným tlakom v danej vzdialenosti od Slnka za súčasných materiálov a aké sú fyzikálne limity?
Google: 1–6 nPa ((1–6)×10−9 N/m2) pri vzdialenosti 1 AJ, teda pri Zemi.
Pokles resp. nárast (ak poletí najprv smerom k Slnku) by mal byť v pomere štvorcov vzdialeností, napr. cca 192% pri Venuši, 43% pri Marse, 3,5% pri Jupiteri a 1% pri Saturne.
Věta o tom otáčení ke Slunci nebo opačně nedává smysl ani v originálním znění článku, takže podle mě je to překlep. Nejjednodušší, a především taky nejúčinnější použití odrazné plachty je následující. Vysvětlím to na sondě obíhající okolo Slunce po kruhové dráze, protože tam se to vysvětluje nejsnáz, ale dá se to aplikovat i na sondu na jiném typu dráhy a taky obíhající kolem Země apod.
Sonda obíhá Slunce po kruhové dráze. Jestliže naklopí svou plachtu v úhlu 45° vůči směru svého pohybu (a současně 45° vůči směru ke Slunci), a to takovým způsobem, aby fotony po odrazu mířily dozadu za sondu, tak výsledná síla míří ve směru pohybu sondy (ne přesně ve směru pohybu sondy, ale důležité je, že je tam i složka síly mířící ve směru pohybu). Sonda v důsledku toho neustále na dráze zrychluje, poloměr dráhy tedy narůstá a sonda spiráluje směrem od Slunce.
Pokud se plachta natočí o 90° jinak oproti předchozímu případu, tak, aby po odrazu fotony mířily dopředu před sondu (opět, není to přesné, ale důležité je, že je tam složka síly působící proti směru pohybu), tak sonda bude na dráze zpomalovat a tudíž spirálovat směrem ke Slunci.
Ať se plachta natočí jakkoliv, vždy tam bude nějaká složka síly mířící od Slunce (která je mnohem menší než gravitace Slunce). Vtip je ale v tom, že tato složka se dá „zanedbat“. Ta totiž, stejně jako gravitace, klesá s druhou mocninou vzdálenosti od Slunce (protože i intenzita slunečního záření klesá s druhou mocninou). Důsledkem je to, že součet gravitace + této malé síly mířící od Slunce má úplně stejné vlastnosti, jako gravitační síla samotná (protože ten součet je prostě nějaká síla mířící ke Slunci a její velikost klesá s druhou mocninou vzdálenosti). Takže sonda obíhající pod vlivem této síly bude Slunce obíhat stejně, jako kdyby ho obíhala pod vlivem (malinko zmenšené) gravitace.
Důležitá je ta druhá složka síly – ve směru nebo proti směru pohybu sondy. Ta má vliv na pozvolnou změnu její dráhy. Ta síla je v obou případech samozřejmě velmi malá, ale důležité je to, že působí po velmi dlouhou dobu.
Vysvetlené naprosto jednoducho, pochopil som. Ďakujem.
Díky moc za perfektní popis, Petře!
hezký článek, jen tak na okraj: pro hráče High Frontier to nebude nic překvapivého, protože tam sluneční plachta dokonce stejného tvaru a vzhledu je jedním ze základních pohonů ve hře 🙂
Nafukovací nosníky nikdo nezvažoval? Vzhledem k vakuu okolo by vnitřní přetlak mohl být docela malý. V případě problémů s dlouhodobou plynotěsností tenoučkých stěn by se po rozložení mohly vypěnit. Ale nevím, jak by snášely UV záření.
Plachetnice bohužel mají jen omezené možnosti využití – malá hmotnost nákladu, dlouhé doby letu, problém se zpomalením u cíle. Proto není velký zájem a vývoj je velmi pomalý a reálně nikam nevede. Slepá ulička.
Úplně slepá ne. Existují mise, kde by se naopak skvěle hodily.