Этот новый солнечный парус может облегчить НАСА наблюдение за Солнцем

Является ли дифракция следующей лучшей идеей в проектировании космических аппаратов на солнечных батареях?

Отредактировано 2023-25-06
Изображение раскаленного южного полюса Солнца полученное с помощью космического аппарата NASA и ESA Solar OrbiterКонечной целью проекта "Дифракционные солнечные паруса" является съемка крупных планов солнечных полюсов, как это видно на снимке Solar Orbiter.

Солнечная энергия уже давно является желанным источником энергии для транспортных средств по всему миру, а теперь НАСА стало на шаг ближе к тому, чтобы использовать ее для исследования космоса. Проект "Дифракционный солнечный парус", возглавляемый Эмбер Дубилл из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, позволит космическим аппаратам, таким как зонды и спутники, преодолевать большие расстояния, используя солнечный свет. Этот тип светового паруса будет первым в своем роде.

Проект был отобран для участия в третьей и последней фазе программы НАСА "Инновационные передовые концепции" (NIAC), которая помогает развивать перспективные идеи для научного, государственного и коммерческого использования. Команда получит 2 миллиона долларов на дополнительные два года разработки, чтобы продемонстрировать эффективность своей технологии перед потенциальной миссией. Это пятый проект, достигший фазы III с момента начала программы в 2012 году.

Солнечные паруса используют давление солнечного света для перемещения в пространстве, подобно парусникам, подгоняемым ветром, что избавляет от необходимости использовать ракеты и топливо для продвижения аппарата вперед. Но дифракционные паруса, подобные тому, который создала команда Данбара, идут на шаг дальше, чем обычные отражающие паруса. Отражающие паруса должны собирать и перенаправлять солнечные лучи, что означает, что они должны быть покрыты пленкой, похожей на металл, и всегда должны быть направлены в сторону солнца. Такая зависимость ограничивает навигацию, поскольку постоянно приходится искать компромисс между получением энергии и легкой маневренностью. Более того, конструкция отражающих парусов делает их большими, тонкими и неустойчивыми. Необходимое оборудование для стабилизации и ориентации парусов в конечном итоге замедляет космический корабль.

Дифракционные паруса - это совсем другое. Когда свет дифрагирует через узкие отверстия, а не отражается от широких плоскостей, он распространяется в разных направлениях. В дифракционных парусах команда использует это свойство света с помощью небольших решеток, встроенных в поверхность, которые могут рассеивать свет туда, куда нужно, даже если парус находится под неоптимальным углом или не направлен прямо на солнце. Это, в свою очередь, позволяет космическому кораблю перемещаться более проворно и эффективно. Благодаря такой конструкции солнечные паруса могут быть меньше, потреблять меньше энергии и работать с меньшими затратами - и все это без ущерба для мощности.

Дубилл сравнивает эту концепцию с реальными парусами на корабле. Если вы пытаетесь плыть по ветру с помощью эквивалента отражающего паруса, вам придется двигать его вперед-назад, чтобы двигаться в нужном направлении. Если у вас есть что-то похожее на дифракционный парус, вы можете использовать силу ветра для того, чтобы двигаться вперед, но при этом устремляться прямо в него.

"[Эта конструкция] - самая новая часть. Она более эффективна и позволяет обойти предыдущие проблемы световых парусов", - говорит Дубилл, добавляя, что в небольшом исследовании, которое они провели, команда обнаружила, что технические усилия по замене отражающих световых парусов на дифракционные "вполне того стоят" и что "преимущества значительно превосходят затраты".

Под руководством Дубилла команда будет совершенствовать металлический материал своего коллектора солнечных лучей и проводить наземные испытания в течение всего периода фазы III. По ее словам, они закладывают основу для того, чтобы в конечном итоге отправить созвездие легких дифракционных световых парусов с научными приборами на орбиту вокруг солнечных полюсов. В то время как космические аппараты НАСА и Европейского солнечного агентства Solar Orbiter недавно сделали снимки Солнца с высоким разрешением, прямые изображения полюсов никогда не были получены.

"Мы многого не знаем о Солнце. Эта технология может сыграть большую роль в мониторинге сложностей солнечной погоды", - говорит Дубилл. "[Наша команда] так долго работала над этим проектом; очень приятно видеть, что у него есть такая возможность в будущих полетных миссиях".