Come si progetta una vela in grado di trasportare un veicolo spaziale in un altro sistema solare?
Agenzia della NASA Viaggiatore 1 E il Viaggiatore 2 Le due sonde, lanciate negli anni ’70, sono ancora gli unici oggetti di fabbricazione umana a lasciare il nostro sistema solare. Mentre la coppia ha sfidato le aspettative e sta ancora operando, i ricercatori continuano a escogitare nuove missioni che potrebbero esplorare oltre il nostro quartiere stellare. Una delle tecniche conosciute come a vela leggerauna vela mossa dalla luce piuttosto che dal vento, sembra essere un mezzo promettente per raggiungere un obiettivo così ambizioso.
In due nuovi studi, i ricercatori hanno scoperto il modo migliore per progettare una vela leggera per il viaggio interstellare. Hanno scoperto che una tale vela dovrebbe fluire e avere uno schema simile a una rete e sono giunti ad alcune conclusioni anche sui migliori materiali da utilizzare.
Questi studi sono stati condotti nell’ambito della Breakthrough Starshot Initiative, un progetto di ricerca e ingegneria volto a sviluppare nuovi progetti per un veicolo a vela leggero in grado di viaggiare verso Alpha Centaurii nostri vicini più prossimi nel sistema solare.
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Breakthrough Starshot è un progetto con Breakthrough Initiatives, un “gruppo di programmi di scienze spaziali che indaga le questioni fondamentali della vita nell’universo”, secondo Breakthrough Starshot. sito web.
Breakthrough Starshot mira a sviluppare una vela leggera che trasporta una sonda delle dimensioni di un piccolo wafer al 20% della velocità della luce. Questo ritmo ad alta velocità vedrà la sonda raggiungere Alpha Centauri in circa 20 anni, Secondo la dichiarazione.
Per riferimento, Alpha Centauri si trova a circa 4 anni luce dalla Terra, e alcuni esperti Si stima che ci vorranno almeno 6.300 anni per raggiungere il sistema con la tecnologia attuale.
Cos’è una vela leggera?
Le vele leggere non sono fantascienza, né sono una nuova idea. Le vele leggere, note anche come vele solari, possono azionare veicoli spaziali senza utilizzare carburante per razzi. Le vele leggere funzionano quando particelle di luce, note come fotoni, si scontrano con la vela riflettente, trasferendo il loro slancio alla lastra.
Nel tempo, miliardi e miliardi di fotoni colpiranno la vela, dando abbastanza slancio per “spingere” l’imbarcazione in avanti.
Nel 2019, la Planetary Society, un’organizzazione senza scopo di lucro con sede negli Stati Uniti per l’educazione spaziale e la sensibilizzazione, ha lanciato una navicella spaziale finanziata da un aliante chiamato Vela leggera 2 all’orbita terrestre. La navicella spaziale cubo ha le dimensioni di una pagnotta, ma la sua vela solare si estende su 433 piedi quadrati (32 metri quadrati).
La vela leggera del veicolo è composta da quattro sezioni triangolari in mylar di alluminio. Quando il velivolo ha raggiunto lo spazio su un razzo SpaceX Falcon Heavy, stava manovrando in orbita usando la spinta generata dalla luce solare.
L’agenzia spaziale giapponese JAXA ha anche lanciato un veicolo spaziale che viaggia con l’aiuto di una vela solare chiamata Icaro.
Tuttavia, Starshot è diverso da LightSail 2. Mentre LightSail 2 si basa esclusivamente sui fotoni del Sole, Starshot avrà bisogno di una luce più intensa per raggiungere le velocità estreme che i leader del progetto sperano di raggiungere. Per fare ciò, il progetto mira a utilizzare laser a terra per concentrare la luce intensa direttamente sulle vele di luce delle potenziali sonde Starshot, inviandole rapidamente sulla loro strada dopo aver raggiunto l’orbita.
Perfetta formazione della vela solare
In questa coppia di nuovi studi, i ricercatori hanno studiato la forma e lo stile più efficaci di una vela leggera.
Il primo articolo, guidato da Igor Bargatin, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata dell’Università della Pennsylvania, propone il miglior materiale e forma per la vela di luce interstellare.
In primo luogo, lo studio suggerisce che la vela leggera dello Starshot dovrebbe essere fatta di fogli ultrasottili del composto chimico ossido di alluminio e del metallo di transizione argento bisolfuro di molibdeno.
Il team raccomanda inoltre che, per evitare la rottura, una vela leggera dovrebbe avere una curva significativa e “scorrere come un paracadute piuttosto che rimanere piatta”, secondo la dichiarazione.
“L’intuizione qui è che una vela molto stretta, sia su una barca a vela che nello spazio, è più incline a piangere”, ha detto Bargatin nella stessa dichiarazione. “È un concetto relativamente facile da capire, ma dovevamo fare alcuni calcoli molto complessi per mostrare come si comportano questi materiali su questa scala”.
Soprattutto con le alte velocità a cui punta il team di Starshot, la vela resisterà a una notevole quantità di pressione quando viene spinta al limite. Questi ricercatori suggeriscono che la forma rigonfia aiuterà a prevenire la rottura della vela sotto questa pressione.
“I fotoni laser riempiranno la vela come l’aria che soffia un pallone da spiaggia”, ha affermato nella stessa dichiarazione l’autore principale Matthew Campbell, un ricercatore post-dottorato nel gruppo Bargatine. “E sappiamo che i contenitori leggeri e compatti devono essere sferici o cilindrici per evitare strappi e crepe. Pensa ai serbatoi di propano o persino ai serbatoi di carburante sui razzi”.
modello importante
Il secondo articolo ha esplorato come un motivo all’interno della vela potrebbe distribuire in modo più efficace il calore della luce proveniente dai raggi laser a terra.
“Se le vele assorbono anche una minima parte della luce laser incidente, si riscalderanno a temperature molto elevate”, afferma l’autore principale Aaswath Raman, ricercatore presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell’UCLA. Ha detto nella stessa dichiarazione. “Per assicurarci che non si disintegri, dobbiamo aumentare la sua capacità di irradiare il suo calore, che è l’unica modalità di trasferimento del calore disponibile nello spazio”.
In precedenza, i ricercatori suggerivano che il “tessuto” leggero della vela potesse essere coperto da piccoli fori equidistanti per far fronte a questa frenetica ansia. Tuttavia, questi ricercatori suggeriscono che la vela potrebbe avere perforazioni oltre al tessuto della vela che sono raggruppate insieme in uno schema a reticolo per massimizzare la distribuzione del calore.
“Alcuni anni fa, pensare o svolgere un lavoro teorico su questo tipo di concetto era considerato un po’ inverosimile”, ha affermato nella stessa dichiarazione il coautore Deep Jariwala, un ricercatore che lavora con Bargattin all’Università della Pennsylvania. “Ora non abbiamo solo un design, ma il design si basa su materiali reali disponibili nei nostri laboratori. Il nostro piano per il futuro sarà quello di realizzare tali strutture su piccola scala e testarle con un laser ad alta potenza”.
Queste carte erano pubblicato 16 febbraio in Nano Lettere.
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