Подорож під вітрилом у космосі може здатися чимось зі сфери наукової фантастики, але ця концепція вже не обмежується книжками або фільмами. Ця технологія може сприяти майбутнім космічним подорожам і розширенню наших уявлень про Сонце і Сонячну систему.
У квітні демонстрація технології сонячних вітрил нового покоління, відома як Advanced Composite Solar Sail System, буде запущена на борту ракети Rocket Lab Electron зі стартового комплексу 1 на півострові Махія в Новій Зеландії.
Сонячні вітрила використовують тиск сонячного світла для руху, фотони відбиваються від вітрила і штовхають космічний корабель. Це дає змогу в деяких випадках відмовитися від важких рухових установок і збільшити тривалість та знизити вартість польотів. Незважаючи на зменшення маси, сонячні вітрила раніше були обмежені доступними матеріалами і структурою стріл-щогл, до яких кріпляться вітрила.
Новий легкий вітрильник NASA
У демонстраційному проєкті Advanced Composite Solar Sail System використовується дванадцятиблоковий кубсат (12U), побудований компанією NanoAvionics, для випробування нової композитної стріли з гнучкого полімеру та вуглецевого волокна, яка є більш жорсткою та легшою за попередні конструкції стріли. Головна мета місії — успішно продемонструвати розгортання нової штанги, але після розгортання команда також сподівається довести ефективність вітрила.
Подібно до вітрильника, який повертається, щоб зловити вітер, сонячне вітрило може коригувати свою орбіту, нахиляючи вітрило. Після оцінки розгортання стріли місія випробує серію маневрів зі зміни орбіти космічного апарату і збере дані для майбутніх місій зі ще більшим вітрилом.
"Стріли, як правило, або важкі і металеві, або зроблені з легкого композиту і мають громіздку конструкцію — ні те, ні інше не підходить для сучасних невеликих космічних апаратів. Сонячним вітрилам потрібні дуже великі, стабільні та легкі штанги, які можуть компактно складатися", — каже Кітс Вілкі, головний дослідник місії з Дослідницького центру NASA в Ленглі. "Стріли цього вітрила мають трубчасту форму і можуть стискатися і згортатися, як рулетка, в невеликий пакет, володіючи при цьому всіма перевагами композитних матеріалів, наприклад, меншим вигином і деформацією при зміні температури".
Після виходу на сонячно-синхронну орбіту на висоті близько 1 000 кілометрів над Землею, космічний апарат почне розгортати композитні штанги, які охоплюють діагоналі полімерного вітрила. Приблизно через 25 хвилин сонячне вітрило буде повністю розгорнуте, його площа становитиме близько 80 квадратних метрів. Камери, встановлені на космічному апараті, фіксуватимуть цей важливий момент, стежачи за формою і симетрією вітрила під час його розгортання.
Завдяки великому вітрилу космічний апарат може бути видно із Землі, якщо умови освітлення будуть оптимальними. Після повного розкриття і правильної орієнтації відбивний матеріал вітрила буде таким же яскравим, як Сіріус, найяскравіша зірка на нічному небі.
"Сім метрів розгортаються штанг можуть згорнутися у форму, яка поміститься у вашій руці", — каже Алан Родс, провідний системний інженер місії в Дослідницькому центрі NASA імені Еймса в Каліфорнії. "Ми сподіваємося, що нові технології, перевірені на цьому космічному апараті, надихнуть інших на їхнє використання в тих галузях, які ми навіть не розглядали".
Створення сонячних вітрил майбутнього
У рамках програми NASA "Технології малих космічних апаратів" успішне розгортання та експлуатація легких композитних штанг сонячного вітрила доведе його можливості та відкриє шлях до більш масштабних польотів на Місяць, Марс та інші планети.
Потенційно ця конструкція може підтримувати майбутні сонячні вітрила площею до 500 квадратних метрів, що приблизно відповідає розміру баскетбольного майданчика, а технологія, розроблена в результаті успіху місії, може підтримувати вітрила площею до 2000 квадратних метрів — приблизно половини футбольного поля.
"Сонце продовжуватиме горіти ще мільярди років, тож у нас є безмежне джерело рушійної сили. Замість того, щоб запускати масивні паливні баки для майбутніх місій, ми можемо запустити більші вітрила, які будуть використовувати вже наявне "паливо", — каже Родс. "Ми продемонструємо систему, яка використовує цей багатий ресурс, щоб зробити наступні гігантські кроки в дослідженні та науці".
Оскільки вітрила використовують енергію Сонця, вони можуть забезпечити постійну тягу для підтримки місій. Композитні стріли можуть мати майбутнє і за межами сонячної активності: легка конструкція і компактна система пакування можуть зробити їх ідеальним матеріалом для будівництва середовища проживання на Місяці та Марсі, як каркасних конструкцій для будівель або компактних антенних стовпів для створення ретранслятора зв'язку для астронавтів, які досліджують місячну поверхню.
"Ця технологія вражає уяву, переосмислюючи всю ідею вітрильного спорту і застосовуючи її для космічних подорожей", — каже Руді Аквіліна, керівник проєкту зі створення сонячного вітрила в NASA Ames. "Демонстрація можливостей сонячних вітрил і легких композитних стріл — це наступний крок у використанні цієї технології для натхнення майбутніх місій".
