Решението на излишен проблем - колко близо може да плава слънчевата слънце до Бернд
През последните няколко десетилетия слънчевите платна изостават донякъде като алтернативно задвижване. Йонните задвижвания, от друга страна, се използват все по-често. Определено има причини за това. От една страна, напредъкът в снабдяването с енергия (чрез слънчеви клетки) направи задвижването на йони по-привлекателно. От друга страна липсват проекти, които да показват разумното използване на слънчевите платна.
Слънчевите платна винаги имат едно предимство - те не консумират никакво гориво и тяхната „тяга“ се увеличава, колкото повече се приближавате до слънцето. Така че те биха били алтернатива за мисии във вътрешната слънчева система. В момента има три - Solar Orbiter, Parker Solar Probe и BepiColombo. Също така би било възможно. да се доближите много до слънцето и да ускорите допълнително по време на отстраняването и по този начин да получите достатъчно тяга за екскурзия във външната слънчева система.
Но колко близо можете да стигнете до слънцето?
Всеки може логично да разбере, че енергията, която пада върху платното. Колкото по-близо се доближавате до слънцето, толкова по-голямо става - защото площта, върху която се разпределя постоянното излъчване от слънчевата повърхност, става все по-малка и по-малка. На Меркурий има температури до 425 ° C.
Връзката между разстоянието и абсорбираната енергия е относително проста:
Тялото е заобиколено от сферична сфера, върху която пада цялата енергия на слънцето. Площта на тази сфера може да се изчисли според:
r: радиус = разстояние от слънчевата повърхност
σ: константа на Стефан-Болцман
Опростено: Енергията на единица площ нараства квадратично. Ако знаете енергията, която пада на един квадратен метър на определено разстояние, можете да изчислите енергията за всяка област и всяко разстояние. В 149,6 милиона км (средно разстояние от земята до слънцето) той е 1355 W/m².
Според закона на Стефан-Болцман може да се изчисли температурата на черно тяло:
Константата на Стефан-Болцман σ = 5,67 × 10 -8 W/m²/K 4, се отнася за земното разстояние. 1 m² площ (F) и 1355 W/m² (P) се изчисляват като 393 K = 120 ° C. Това е значително повече от температурата на самата земя. Тъй като горният закон се прилага за идеално, черно тяло, тяло, което поглъща цялата радиация, не отразява никаква и се загрява, докато не настъпи баланс между излъчената и погълнатата радиация. Земята обаче се върти, което означава, че лъчението се разпределя и отзад, което не е пряко осветено и е сфера, а не кръг. Кръг с големината на земята има площ pi × r², но полусферата има площ 2 × pi × r². Атмосферата също се загрява и допринася за разпределението, но също така действа като източник на топлина и не на последно място най-важният фактор: Земята не поглъща цялата радиация, в противен случай би била само черен кръг, гледана от космоса.
Трябва да добавите степента на отражение. То се изразява в това, че се абсорбира само част от енергията. Останалото се отразява обратно в космоса. Земята има отражателна способност от около 36%, луната е значително по-тъмна при 12% и следователно е и по-гореща на Луната (наред с други фактори като бавното въртене). Най-високата степен на отражение на естествените повърхности има прясно паднал сняг, който може да достигне до 90%. Всеки знае, че през зимата, когато сте заслепени от снежни повърхности при ярко слънце. Има дори заболяване, наречено снежна слепота.
Слънчевите платна обикновено се състоят от Каптоново фолио, покрито с алуминий или отложено с пара. Kapton е пластмаса, от която могат да се произвеждат много тънки фолиа и която следователно е особено подходяща за тази цел.
Логично е, че можете да се приближите до слънцето, докато температурата на платното стане толкова висока, че материалите да се повредят. Алуминият може да издържи без проблеми 500 ° C, Kapton като пластмаса също е устойчив на пластмаса, споменати са до 400 ° C. Но това са върхови стойности за кратки периоди от време. В дългосрочен план са възможни поне 260 ° C. Алуминият като покритие отразява по-голямата част от лъчението, което е желателно, тъй като увеличава тягата (удвоява се с отражение 1 в сравнение с черното тяло). Алуминият има отражение 0,9 в широк диапазон на вълните.
Горната формула, използвана за отражение 0,9, дава температура 221 ° C. Това е със 170 ° C по-малко, отколкото при пълно поглъщане на радиацията. Форматирайте едно, за да получите записаното лъчение:
P = T 4 × σ/(1-отражателна способност)
С T = 523 K (260 ° C), степен на отражение = 0,9, P = 45760 W/m²
Разстоянието ни дава сравнение с радиацията на разстояние от земята и ние поемаме корена поради квадратичното увеличение на радиацията:
r = 149,6 милиона км/корен (45760/1355)
r = 25,8 милиона км
Това е много близо, малко повече от една трета от средното разстояние от Меркурий до Слънцето и по-малко от половината от минималното разстояние. Енергията е от съществено значение за тягата и тя е 33 пъти по-висока, отколкото близо до земята, така че ускорението също е 33 пъти по-голямо.
Има два случая. Ако искате да влезете във вътрешната слънчева система, предимствата са очевидни. Или достигате разстоянието с многобройни люлеения (седем със сондата Parker Solar, дори девет със слънчевата орбита) или с йонни тласкачи (BepiColombo). Йонните тласкачи също се възползват от намаляващото разстояние от слънцето, тъй като електричеството се генерира от слънчеви клетки, но те губят мощност, когато се нагреят твърде много. Приблизително два пъти е възможно захранването близо до земята, тогава трябва да го настроите все по-наклонено, за да избегнете прегряване. Слънчево платно с 50% полезен товар и днешната технология (повърхностно тегло 14 g/m²m подпори: 120 g/m, квадратно платно) достига разстоянието от 26 милиона км за 1 година 244 дни. Ако започнете с излишък от 3 km/s - при стартовата скорост от Земята това е само около 400 m/s, това е само 1 година 4 дни. За сравнение: Бепи Коломбо се нуждае от повече от 5 години, за да стигне до Меркурий.