Солнечный парус: что это такое, как работает, преимущества

Солнечный парус используется в космосе, а не в море. Это предполагает использование солнечного излучения, а не ракетного топлива или ядерной энергии для приведения в движение космических аппаратов. Его источник энергии практически неограничен (по крайней мере, в течение следующих нескольких миллиардов лет), его преимущества могут быть значительными, и он демонстрирует новаторское использование солнечной энергии для развития современной цивилизации.

Как работает солнечный парус

Солнечный парус работает так же, как фотоэлектрические (PV) элементы в солнечной панели путем преобразования света в другую форму энергии. Фотоны (частицы света) не имеют массы, но любой, кто знает самое известное уравнение Эйнштейна, знает, что масса это просто форма энергии.

Фотоны представляют собой пакеты энергии, движущиеся по определению со скоростью света, и, поскольку они движутся, их импульс пропорционален переносимой ими энергии. Когда эта энергия попадает в солнечный фотоэлектрический элемент, фотоны возмущают ее электроны, создавая ток, измеряемый в вольтах (отсюда и термин фотоэлектрический). Однако, когда энергия фотона попадает в отражающий объект, например солнечный парус, часть этой энергии передается объекту в виде кинетической энергии, как это происходит, когда движущийся бильярдный шар ударяется о неподвижный шар. Солнечный парус может быть единственной движущей силой, источник которой безмассовый. (1)

Подобно тому, как солнечная панель производит больше электричества, чем сильнее падает солнечный свет, так и солнечный парус движется быстрее. В космическом пространстве, незащищенном атмосферой Земли, солнечный парус бомбардируется частями электромагнитного спектра с большей энергией (например, гамма-лучами), чем объекты на поверхности Земли, которая защищена атмосферой Земли от таких высокоэнергетических волн солнечного излучения. А поскольку космическое пространство является вакуумом, миллиарды фотонов сталкиваются с солнечным парусом и перемещают его вперед. Пока солнечный парус остается достаточно близко к Солнцу, он может использовать солнечную энергию для перемещения в космосе.

Солнечный парус работает так же, как паруса на парусной лодке. Изменяя угол наклона паруса относительно Солнца, космический корабль может плыть со светом позади него или лавировать против направления света. Скорость космического корабля зависит от соотношения между размером паруса, расстоянием от источника света и массой корабля. Ускорение также может быть увеличено за счет использования земных лазеров, которые несут более высокий уровень энергии, чем обычный свет. Поскольку бомбардировка фотонами Солнца никогда не прекращается и отсутствует сопротивление, ускорение спутника со временем увеличивается, что делает солнечные паруса эффективным средством передвижения на большие расстояния.

Экологические преимущества солнечного паруса

Чтобы запустить солнечный парус в космос, по-прежнему требуется ракетное топливо, поскольку сила тяжести в нижних слоях атмосферы Земли сильнее, чем энергия, которую может уловить солнечный парус. Например, ракета Falcon Heavy, которая запустила LightSail-2 в космос 25 июня 2019 года, использовала керосин и жидкий кислород в качестве ракетного топлива. Керосин – это то же ископаемое топливо, которое используется в топливе для реактивных двигателей, с примерно такими же выбросами углекислого газа, как у топочного мазута, и немного больше, чем у бензина. (2)

В то время как нечастые запуски ракет делают их парниковые газы незначительными, другие химические вещества, которые ракетное топливо выбрасывает в верхние слои атмосферы Земли, могут нанести ущерб исключительно важному озоновому слою. Замена ракетного топлива на внешних орбитах солнечными парусами снижает затраты и атмосферный ущерб, вызванный сжиганием ископаемого топлива для движения. Ракетное топливо также дорого и ограничено, что ограничивает скорость и расстояние, на которое космический корабль может путешествовать. (3)

Использование солнечного паруса нецелесообразно на низких околоземных орбитах из-за таких факторов окружающей среды, как сопротивление и магнитные силы. И хотя межпланетные путешествия за пределы Марса становятся все более трудными из-за уменьшения энергии солнечного света во внешней солнечной системе, использование космических кораблей на солнечной энергии может помочь снизить затраты и ограничить ущерб атмосфере Земли.

Солнечные паруса также могут быть соединены с солнечными фотоэлектрическими панелями, которые преобразуют солнечный свет в электричество так же, как на Земле, позволяя электронным функциям спутника продолжать работать без других внешних источников топлива. Это дает дополнительное преимущество, позволяя спутникам оставаться в стационарном положении над полюсами Земли, тем самым увеличивая возможность постоянного наблюдения со спутника за воздействием изменения климата на полярные регионы. («Стационарный спутник» обычно остается в одном и том же месте относительно Земли, двигаясь с той же скоростью, что и вращение Земли – на полюсах это невозможно.) (4, 5)

Солнечный парус – хронология
1610	Астроном Иоганн Кеплер говорит своему другу Галилео Галилею, что когда-нибудь корабли смогут плавать, улавливая солнечный ветер.
1873	Физик Джеймс Клерк Максвелл демонстрирует, что свет оказывает давление на объекты, когда он отражается от них.
1960	Эхо-1 (спутник в виде металлического воздушного шара) регистрирует давление солнечного света.
1974	NASA наклоняет солнечные панели Маринер-10, чтобы они работали как солнечные паруса на пути к Меркурию.
1975	NASA создает прототип космического корабля с солнечным парусом, чтобы посетить комету Галлею.
1992	Индия запускает INSAT-2A, спутник с солнечным парусом, призванный уравновесить давление на его солнечную фотоэлектрическую панель.
1993	Российское космическое агентство запускает «Знамя-2» с отражателем, который разворачивается, как солнечный парус, хотя это не его функция.
2004	Япония успешно развертывает нефункционирующий солнечный парус с космического корабля.
2005	Миссия «Космос-1» Планетарного общества, содержащая работающий солнечный парус, разрушена при запуске.
2010	Японский спутник IKAROS (Межпланетный воздушный змей, ускоряемый излучением Солнца) успешно использует солнечный парус в качестве своей основной движущей силы.
2019	Планетарное общество, генеральным директором которого является прославленный преподаватель естественных наук Билл Най, запускает спутник LightSail-2 в июне 2019 года. LightSail-2 назван одним из 100 лучших изобретений 2019 года по версии журнала Time. (6)
2019	NASA выбирает Solar Cruiser в качестве космического корабля для исследования дальнего космоса.
2021	NASA продолжает разработку NEA Scout, космического корабля с солнечным парусом, предназначенного для исследования околоземных астероидов (NEA). Запланированный запуск ноябрь 2021 года, отложен с мая 2020 года.

Ключевые выводы

Для запуска космических кораблей на орбиту или за ее пределы с использованием солнечного паруса по-прежнему требуется ископаемое топливо, но, тем не менее, он имеет свои экологические преимущества и что, возможно более важно, демонстрирует потенциал солнечной энергии для решения наиболее насущных экологических проблем Земли.

Treehugger