Güneş yelkenleri sadece 26 günde Mars’a ulaşabilir

A son çalışma gönderildi Acta Astronautica ve şu anda mevcut arXiv ön baskı sunucusu, Mars’a ve yıldızlararası uzaya seyahat için aerografit güneş yelkenlerinin kullanılması potansiyelini araştırıyor; bu, bu tür görevler için gereken zamanı ve yakıtı önemli ölçüde azaltabilecek.

Bu çalışma, güneş yelkenlerinin kullanımına ilişkin devam eden araştırmaların, Planetary Society’nin başarılı LightSail2 misyonuyla birlikte çok sayıda kuruluş tarafından yürütüldüğü bir dönemde ortaya çıktı ve uzun vadeli uzay görevleri için daha hızlı ve daha verimli itiş sistemleri geliştirme potansiyeli taşıyor.

Max Planck Güneş Sistemi Araştırma Enstitüsü’nde astrofizikçi ve çalışmanın ortak yazarlarından biri olan Dr. René Heller, “Güneş yelkenlisi tahriki, küçük yüklerin (kilogramın altındaki) güneş sistemi boyunca hızlı bir şekilde dağıtılması potansiyeline sahiptir.” Universe Today’e anlatıyor. “Yüzlerce tonluk yükü alçak Dünya yörüngesine taşıyabilen ve bunun büyük bir kısmını aya, Mars’a ve ötesine gönderebilen geleneksel kimyasal itici güçle karşılaştırıldığında, bu kulağa gülünç derecede küçük geliyor. Ancak güneş yelkeni teknolojisinin temel değeri, hız.”

Uzay aracının arkasına harici bir kuvvet uygulamak için kimyasalların yakılması şeklindeki yakıta dayanan geleneksel roketlerin aksine, güneş yelkenleri yakıt gerektirmez. Bunun yerine, dev yelkenler güneş fotonlarını yakaladığından, tıpkı rüzgar yelkenlerinin su üzerinde seyahat ederken rüzgarı yakalaması gibi, itiş mekanizmaları için güneş ışığını kullanıyorlar. Güneş yelkenleri ne kadar uzun süre açılırsa, o kadar fazla güneş fotonu yakalanır ve bu da uzay aracının hızını kademeli olarak artırır.

Araştırma için araştırmacılar, 104 metrekarelik kesit alanına sahip 720 gram aerografit içeren, kütlesi 1 kilograma (2,2 pound) kadar olan aerografitten yapılmış bir güneş yelkeninin Mars’a ve Dünya’ya ne kadar hızlı ulaşabileceğine dair simülasyonlar gerçekleştirdiler. heliopause olarak da adlandırılan yıldızlararası ortam, Dünya’dan sırasıyla doğrudan dışarıya aktarım ve içe aktarım yöntemleri olarak bilinen iki yörüngeyi kullanır.

Hem Mars’a yolculuk hem de heliopoz için doğrudan dışarıya aktarım yöntemi, güneş yelkeninin Dünya çevresindeki kutupsal bir yörüngeye hem açılmasını hem de oradan doğrudan ayrılmasını içeriyordu. Araştırmacılar, güneş yelkenlerinin açıldığı ve Dünya’dan ayrıldığı sırada Mars’ın karşıt konumda olmasının (Güneş’in Dünya’nın tam karşısında) bulunmasının hem hız hem de seyahat süresi açısından en iyi sonuçları vereceğini belirlediler.

Aynı kutupsal yörünge açılımı ve ayrılışı, heliopoz yörüngesi için de kullanıldı. İçe doğru transfer yöntemi için, güneş yelkeni, geleneksel kimyasal roketler yoluyla güneşten yaklaşık 0,6 astronomik birime (AU) iletilecek ve burada güneş yelkeni açılacak ve Mars’a veya heliopoza doğru yolculuğuna başlayacak. Peki aerografit güneş yelkeni bu yolculuğu nasıl daha mümkün kılıyor?

Dresden Teknoloji Üniversitesi’nde Araştırma Görevlisi ve araştırmanın başyazarı Julius Karlapp, Universe Today’e şunları söylüyor: “Metreküp başına 0.18 kilogramlık düşük yoğunluğuyla aerografit, tüm geleneksel güneş yelkeni malzemelerinin altını oyuyor.” “Mylar (metalize polyester folyo) ile karşılaştırıldığında yoğunluk dört kat daha küçüktür. Güneş yelkeni tarafından geliştirilen itme kuvvetinin doğrudan yelkenin kütlesine bağlı olduğu varsayılırsa ortaya çıkan itme kuvveti çok daha yüksektir. Hızlanma avantajının yanı sıra aerografitin mekanik özellikleri de şaşırtıcıdır.”

Bu simülasyonlar aracılığıyla araştırmacılar, doğrudan dışa aktarım yönteminin ve içe aktarım yönteminin, güneş yelkeninin Mars’a sırasıyla 26 gün ve 126 günde ulaştığını ve ilk 103 günün, Dünya’dan 0,6 AU’daki yayılma noktasına kadar olan seyahat süresi olduğunu buldular. .

Heliopause yolculuğu için her iki yöntem de sırasıyla 5,3 yıl ve 4,2 yıl ile sonuçlandı; içe transfer yönteminin ilk 103 günü aynı zamanda Dünya’dan 0,6 AU’daki dağıtım noktasına kadar olan seyahat süresine de ayrıldı. İçeriye transfer yöntemiyle heliopoza daha hızlı ulaşılması, güneş yelkeninin 300 günde maksimum hıza ulaşmasından kaynaklanırken, dışa transfer yöntemiyle yaklaşık iki yılda maksimum hıza ulaşılmasıdır.

Mars’a şu anki seyahat süreleri 7 ila 9 ay arasında değişmektedir; bu, yalnızca iki yılda bir belirli fırlatma pencerelerinde gerçekleşirken, Mars’a giden veya Mars’tan gelen herhangi bir uzay aracının hem fırlatılmasında hem de varışında her iki gezegenin konumlarının hizalanmasına bağlıdır. Heliopoza kadar olan mevcut seyahat sürelerinin tahmini, sırasıyla yaklaşık 35 ve 41 yılda heliopoza ulaşan NASA’nın Voyager 1 ve Voyager 2 sondaları kullanılarak yapılabilir.

Araştırmacılar, güneş yelkenlerini kullanmanın en önemli sorunlarından birinin, varış noktasına, özellikle de Mars’a varıldığında yavaşlama veya yavaşlama olduğunu belirtiyorlar ve havadan yakalamayı bir çözüm olarak belirtirken, bunun hala daha fazla araştırma gerektirdiğini kabul ediyorlar.

Dresden Teknoloji Üniversitesi’nde fizikçi ve Uzay Sistemi Profesörü olan Dr. Martin Tajmar, “Hiperbolik yörüngeler için havadan yakalama manevraları (Dünya’dan Mars’a uçmak gibi), sürüklenmeden dolayı hızı kademeli olarak azaltmak için atmosferi kullanır.” çalışmanın yazarı, Universe Today’e anlatıyor.

“Dolayısıyla Mars yörüngesine girmek için daha az yakıt gerekiyor. Bu frenleme manevrasını ek frenleme iticilerine olan ihtiyacı ortadan kaldırmak için kullanıyoruz, bu da uzay aracının kütlesini azaltıyor. Şu anda bizim için hangi alternatif stratejilerin işe yarayabileceğini araştırıyoruz. Ancak frenleme yöntemi şu anda karşı karşıya olduğumuz pek çok farklı zorluktan yalnızca bir tanesi.”

Güneş yelkeni teknolojisi NASA tarafından 1970’li yıllara kadar önerilmiş olsa da, güneş yelkeni teknolojisinin yeni bir örneği şu anda Şubat 2025’te fırlatılması planlanan NASA Solar Cruiser’dır.