Soluția la o problemă de prisos - Cât de aproape poate o navă solară de soare - Bernd
Pânzele solare au rămas oarecum în urmă ca o alternativă în ultimele decenii. Unitățile de ionizare, pe de altă parte, sunt din ce în ce mai utilizate. Există cu siguranță motive pentru asta. Pe de o parte, progresele în aprovizionarea cu energie (prin celulele solare) au făcut propulsia ionică mai atractivă. Pe de altă parte, există o lipsă de proiecte care arată utilizarea sensibilă a pânzelor solare.
Velele solare au întotdeauna un avantaj - nu folosesc niciun combustibil și „împingerea” lor crește cu cât vă apropiați de soare. Deci ar fi o alternativă pentru misiunile în sistemul solar interior. În prezent există trei - Solar Orbiter, Parker Solar Probe și BepiColombo. Ar fi, de asemenea, de conceput. să se apropie foarte mult de soare și să accelereze și mai mult în timpul îndepărtării și astfel să obțină suficientă împingere pentru o excursie în sistemul solar exterior.
Dar cât de aproape te poți apropia de soare?
Este logic de înțeles pentru toată lumea că energia cade pe pânză. Cu cât te apropii de soare, cu atât devine mai mare - deoarece zona pe care este distribuită radiația constantă de la suprafața soarelui este din ce în ce mai mică. Pe Mercur sunt temperaturi de până la 425 ° C.
Relația dintre distanță și energia absorbită este relativ simplă:
Corpul este înconjurat de o sferă sferică pe care cade întreaga energie a soarelui. Aria acestei sfere poate fi calculată în funcție de:
r: raza = distanta fata de suprafata soarelui
σ: constanta Stefan-Bolzmann
Simplificat: energia pe unitate de suprafață crește cvadrat. Dacă știți energia care cade pe un metru pătrat la o anumită distanță, puteți calcula energia pentru orice zonă și orice distanță. În 149,6 milioane de km (distanța medie de la pământ la soare) este de 1355 W/m².
Conform legii Stefan-Bolzmann se poate calcula temperatura unui corp negru:
Constanta Stefan-Bolzmann σ = 5,67 × 10 -8 W/m²/K 4, se aplică la distanța pământului. Suprafața de 1 m² (F) și 1355 W/m² (P) sunt calculate ca 393 K = 120 ° C. Aceasta este cu mult mai mult decât temperatura pământului în sine. Deoarece legea de mai sus se aplică unui corp ideal, negru, un corp care absoarbe toate radiațiile, nu reflectă niciunul și se încălzește până când nu se produce un echilibru între radiația emisă și absorbită. Cu toate acestea, pământul se rotește, ceea ce înseamnă că radiația este distribuită și în spate, care nu este iluminată direct și este o sferă, nu un cerc. Un cerc de dimensiunea pământului are o suprafață de pi × r², dar o jumătate de sferă are o suprafață de 2 × pi × r². Atmosfera se încălzește și contribuie la distribuție, dar acționează și ca sursă de căldură și, nu în ultimul rând, cel mai important factor: Pământul nu absoarbe toată radiația, altfel ar fi doar un cerc negru atunci când este privit din spațiu.
Trebuie să adăugați gradul de reflecție. Se exprimă prin faptul că doar o parte din energie este absorbită. Restul se reflectă înapoi în spațiu. Pământul are o reflectanță de aproximativ 36%, luna este considerabil mai întunecată la 12% și, prin urmare, este și mai cald pe lună (printre alți factori, cum ar fi rotația lentă). Cel mai înalt grad de reflectare a suprafețelor naturale are zăpada proaspăt căzută, care poate ajunge până la 90%. Toată lumea știe asta iarna când ești orbit de suprafețele înzăpezite la soare puternic. Există chiar și o boală numită orbire la zăpadă.
Vele solare constau de obicei dintr-o folie Kapton acoperită cu aluminiu sau depusă de vapori. Kapton este un material plastic din care pot fi produse folii foarte subțiri și, prin urmare, este deosebit de potrivit pentru acest scop.
Este logic să vă puteți apropia de soare până când temperatura velei este atât de ridicată încât materialele sunt deteriorate. Aluminiu poate rezista fără probleme la 500 ° C, Kapton ca plastic este rezistent și pentru un plastic, sunt menționate până la 400 ° C. Dar acestea sunt valori de top pentru o perioadă scurtă de timp. Pe termen lung sunt posibile cel puțin 260 ° C. Aluminiul ca strat de acoperire reflectă cea mai mare parte a radiației, ceea ce este de dorit deoarece crește presiunea (se dublează la reflectanța 1 comparativ cu corpul negru). Aluminiul are o reflectanță de 0,9 pe o gamă largă de unde.
Formula de mai sus, utilizată pentru o reflectanță de 0,9, dă o temperatură de 221 ° C. Aceasta este deja cu 170 ° C mai mică decât cu absorbția completă a radiației. Formatați unul pentru a intra în radiația înregistrată:
P = T 4 × σ/(1-reflectanță)
Cu T = 523 K (260 ° C), gradul de reflexie = 0,9, P = 45760 W/m²
Distanța ne oferă o comparație cu radiația la o distanță de pământ și luăm rădăcina datorită creșterii pătratice a radiației:
r = 149,6 milioane km/rădăcină (45760/1355)
r = 25,8 milioane km
Este foarte aproape, puțin peste o treime distanța medie de la Mercur la Soare și mai puțin de jumătate din distanța minimă. Energia este esențială pentru împingere și este de 33 de ori mai mare decât în apropierea pământului, deci accelerația este, de asemenea, de 33 de ori mai mare.
Există două cazuri. Dacă doriți să intrați în sistemul solar interior, avantajele sunt evidente. Fie ajungeți la distanță cu numeroase swing-by-uri (șapte cu Parker Solar Probe, chiar nouă cu Solar Orbiter) sau cu propulsoare de ioni (BepiColombo). Propulsorii ionici beneficiază, de asemenea, de o distanță scăzută față de soare, deoarece electricitatea este generată de celulele solare, dar își pierd puterea când se încălzesc prea mult. Este posibilă de aproximativ două ori puterea aproape de sol, atunci trebuie să o setați tot mai înclinată pentru a evita supraîncălzirea. O pânză solară cu 50% sarcină utilă și tehnologia de astăzi (greutatea suprafeței 14 g/m²m suporturi: 120 g/m, pânză pătrată) atinge distanța de 26 milioane km în 1 an 244 zile. Dacă începeți cu un exces de 3 km/s - la viteza de pornire de la Pământ, aceasta este doar în jur de 400 m/s, este doar 1 an 4 zile. Pentru comparație: Bepi Colombo are nevoie de mai mult de 5 ani pentru a ajunge la Mercur.