Pelayaran matahari adalah cara untuk mendorong pesawat ruang angkasa menggunakan tekanan cahaya dan gas berkecepatan tinggi (juga disebut tekanan cahaya matahari) yang dipancarkan oleh bintang. Mari kita lihat lebih dekat perangkatnya.
Menggunakan layar berarti perjalanan ruang angkasa berbiaya rendah dikombinasikan dengan umur panjang. Karena kurangnya banyak bagian yang bergerak, serta kebutuhan untuk menggunakan propelan, kapal semacam itu berpotensi dapat digunakan kembali untuk pengiriman muatan. Nama cahaya atau layar foton juga kadang-kadang digunakan.
Konsep cerita
Johannes Kepler pernah memperhatikan bahwa ekor komet tampak menjauh dari Matahari, dan menyarankan bahwa bintanglah yang menghasilkan efek ini. Dalam sebuah surat kepada Galileo pada tahun 1610, ia menulis: "Berikan kapal layar yang disesuaikan dengan angin matahari, dan akan ada orang yang berani menjelajahi kekosongan ini." Mungkin, dengan kata-kata ini, dia merujuk secara tepat pada fenomena "ekor komet", meskipun publikasi tentang topik ini muncul beberapa tahun kemudian.
James K. Maxwell pada tahun 60-an abad XIX menerbitkan teori medan elektromagnetik danradiasi, di mana ia menunjukkan bahwa cahaya memiliki momentum dan dengan demikian dapat memberikan tekanan pada benda. Persamaan Maxwell memberikan dasar teoritis untuk penggerak tekanan ringan. Oleh karena itu, sejak tahun 1864, diketahui di dalam dan di luar komunitas fisika bahwa sinar matahari membawa impuls yang memberikan tekanan pada benda.
Pertama, Pyotr Lebedev mendemonstrasikan secara eksperimental tekanan cahaya pada tahun 1899, kemudian Ernest Nichols dan Gordon Hull melakukan eksperimen independen serupa pada tahun 1901 menggunakan radiometer Nichols.
Albert Einstein memperkenalkan formulasi yang berbeda, mengakui kesetaraan massa dan energi. Sekarang kita cukup menulis p=E/c sebagai rasio antara momentum, energi dan kecepatan cahaya.
Svante Arrhenius meramalkan pada tahun 1908 kemungkinan tekanan dari radiasi matahari yang membawa spora hidup melalui jarak antarbintang, dan, sebagai hasilnya, konsep panspermia. Dia adalah ilmuwan pertama yang mengklaim bahwa cahaya dapat memindahkan objek di antara bintang-bintang.
Friedrich Zander menerbitkan sebuah makalah termasuk analisis teknis layar surya. Dia menulis tentang "penggunaan cermin lembaran besar dan sangat tipis" dan "tekanan sinar matahari untuk mencapai kecepatan kosmik."
Proyek formal pertama untuk mengembangkan teknologi ini dimulai pada tahun 1976 di Jet Propulsion Laboratory untuk misi pertemuan yang diusulkan dengan Komet Halley.
Cara kerja layar surya
Cahaya mempengaruhi semua kendaraan di orbit planet atau diruang antarplanet. Misalnya, pesawat ruang angkasa konvensional menuju Mars akan lebih dari 1.000 km jauhnya dari Matahari. Efek ini telah diperhitungkan dalam perencanaan lintasan perjalanan ruang angkasa sejak pesawat ruang angkasa antarplanet pertama pada 1960-an. Radiasi juga mempengaruhi posisi kendaraan, dan faktor ini harus diperhitungkan dalam desain kapal. Gaya pada layar surya adalah 1 newton atau kurang.
Penggunaan teknologi ini nyaman di orbit antarbintang, di mana tindakan apa pun dilakukan dengan kecepatan rendah. Vektor gaya layar cahaya berorientasi sepanjang garis matahari, yang meningkatkan energi orbit dan momentum sudut, menyebabkan kapal bergerak lebih jauh dari matahari. Untuk mengubah kemiringan orbit, vektor gaya keluar dari bidang vektor kecepatan.
Kontrol posisi
Attitude Control System (ACS) pesawat ruang angkasa diperlukan untuk mencapai dan mengubah posisi yang diinginkan saat melakukan perjalanan melintasi Semesta. Posisi set peralatan berubah sangat lambat, seringkali kurang dari satu derajat per hari di ruang antarplanet. Proses ini terjadi jauh lebih cepat di orbit planet-planet. Sistem kontrol untuk kendaraan yang menggunakan layar surya harus memenuhi semua persyaratan orientasi.
Kontrol dicapai dengan pergeseran relatif antara pusat tekanan bejana dan pusat massanya. Ini dapat dicapai dengan baling-baling kontrol, menggerakkan layar individu, menggerakkan massa kontrol, atau mengubah reflektifkemampuan.
Posisi berdiri membutuhkan ACS untuk mempertahankan torsi bersih pada nol. Momen gaya layar tidak konstan sepanjang lintasan. Perubahan dengan jarak dari matahari dan sudut, yang mengoreksi poros layar dan membelokkan beberapa elemen struktur pendukung, menghasilkan perubahan gaya dan torsi.
Pembatasan
Layar surya tidak akan dapat bekerja pada ketinggian lebih rendah dari 800 km dari Bumi, karena hingga jarak ini gaya hambatan udara melebihi gaya tekanan ringan. Artinya, pengaruh tekanan matahari terlihat lemah, dan itu tidak akan berfungsi. Kecepatan putaran kapal layar harus sesuai dengan orbitnya, yang biasanya hanya menjadi masalah untuk konfigurasi piringan pemintalan.
Suhu pengoperasian tergantung pada jarak matahari, sudut, reflektifitas, dan radiator depan dan belakang. Layar hanya dapat digunakan jika suhu dijaga dalam batas materialnya. Umumnya dapat digunakan cukup dekat dengan matahari, sekitar 0,25 AU, jika kapal dirancang dengan cermat untuk kondisi tersebut.
Konfigurasi
Eric Drexler membuat prototipe layar surya dari bahan khusus. Ini adalah bingkai dengan panel film aluminium tipis dengan ketebalan 30 hingga 100 nanometer. Layar berputar dan harus terus-menerus di bawah tekanan. Jenis struktur ini memiliki luas per satuan massa yang tinggi dan oleh karena ituakselerasi "lima puluh kali lebih cepat" daripada yang didasarkan pada film plastik yang dapat digunakan. Ini adalah layar persegi dengan tiang dan garis kembar di sisi gelap layar. Empat tiang berpotongan dan satu tegak lurus ke tengah untuk menahan kabel.
Desain elektronik
Pekka Janhunen menemukan layar listrik. Secara mekanis, ia memiliki sedikit kesamaan dengan desain lampu tradisional. Layar diganti dengan kabel konduktif (kawat) yang diluruskan yang diatur secara radial di sekitar kapal. Mereka menciptakan medan listrik. Itu meluas beberapa puluh meter ke dalam plasma angin matahari di sekitarnya. Elektron surya dipantulkan oleh medan listrik (seperti foton pada layar surya tradisional). Kapal dapat dikemudikan dengan mengatur muatan listrik kabel. Layar listrik memiliki 50-100 kabel yang diluruskan, panjangnya sekitar 20 km.
Terbuat dari apa?
Bahan yang dikembangkan untuk layar surya Drexler adalah film aluminium tipis setebal 0,1 mikrometer. Seperti yang diharapkan, ia telah menunjukkan kekuatan dan keandalan yang cukup untuk digunakan di luar angkasa, tetapi tidak untuk melipat, meluncurkan, dan menyebarkan.
Bahan yang paling umum dalam desain modern adalah film aluminium "Kapton" berukuran 2 mikron. Ini tahan suhu tinggi di dekat Matahari dan cukup kuat.
Ada beberapa teorispekulasi tentang penerapan teknik manufaktur molekuler untuk menciptakan layar ultra-ringan yang canggih, kuat, berdasarkan kisi-kisi kain nanotube di mana "celah" tenunannya kurang dari setengah panjang gelombang cahaya. Bahan seperti itu hanya dibuat di laboratorium, dan sarana untuk pembuatan dalam skala industri belum tersedia.
Layar ringan membuka prospek besar untuk perjalanan antarbintang. Tentu masih banyak pertanyaan dan masalah yang harus dihadapi sebelum menjelajah alam semesta dengan desain pesawat luar angkasa seperti itu menjadi hal yang biasa bagi umat manusia.
