Stel je een zeil op zonne-energie voor dat een ruimtevaartuig door het vacuüm van de ruimte zou kunnen voortstuwen als een wind die hier op aarde een zeil aandrijft. NASA en andere ruimtevaartorganisaties nemen het idee serieus en werken aan verschillende prototypetechnologieën. Edward Montgomory is de Technology Area Manager van Solar Sail Propulsion bij NASA. Ze hebben zojuist een zeil van 20 meter (66 voet) getest in de Plum Brook-faciliteit in het Glenn-onderzoekscentrum in Sandusky, Ohio.
Luister naar het interview: NASA test een zonnezeil (3,7 mb)
Of abonneer u op de podcast: universetoday.com/audio.xml
Fraser Cain - Kunt u mij wat achtergrondinformatie geven over zonnezeilen in het algemeen?
Edward Montgomery - Dit is een technologie waar ons bureau al geruime tijd in geïnteresseerd is, maar de geschiedenis gaat honderden jaren terug tot Fredrick Sander aan het begin van de eeuwwisseling (19e eeuw). In recentere tijden hebben we ontdekt dat de vooruitgang op een aantal specifieke gebieden het iets heeft gemaakt waar we echt naar moeten kijken. De composietmaterialen die de laatste jaren op de markt zijn, zoals in sportuitrusting die is gemaakt van ultra, lichtgewicht staven, en filmtechnologie die in sommige opzichten verband houdt met de materialenindustrie en bijvoorbeeld met geïntegreerde schakelingen en verfadditieven. Deze velden hebben het mogelijk gemaakt structuren in de ruimte te bouwen die ragfijnachtig zijn en dat hebben we tot een paar decennia eerder (nu) nooit echt kunnen doen en als je het soort massa echt heel laag kunt krijgen, dan is het er is niet veel kracht voor nodig om wat acceleratie en een goede voortstuwing te krijgen.
Hoe kan licht aluminiumfolie in de ruimte voortstuwen?
Dat is een heel fascinerende eigenschap die licht heeft; het heeft niet echt massa, dus het kan niet ergens vanaf stuiteren, maar in feite werkt het samen met obstructies; het geeft er wel vaart aan en dit werd door Einstein getheoretiseerd en het is bewezen in een aantal laboratoriumexperimenten.
Welke technologie test u momenteel bij NASA?
We nemen een bepaald zonnezeilconcept, namelijk een vierkant zeil; het heeft 4 gieken die naar buiten komen en tussen de gieken zijn driehoekige zeilen en dat systeem is ontworpen om ladingen te vervoeren die relatief bescheiden van omvang zijn: de Robotic Science-lading. We bekijken verschillende missies naar het innerlijke zonnestelsel om de fysica van de zon en de interactie met de aarde te bestuderen.
Dus u stuurt uw zonnevaart vanuit onze positie; de baan van de aarde, dichter bij de zon? Klinkt een beetje achterlijk voor mij.
Welnu, de stuwkracht die het zeil kan produceren, is evenredig met de sterkte van het zonlicht en naarmate je dichter bij de zon komt, gaat de kracht van die voortstuwing omhoog als het kwadraat van de afstand naarmate je dichterbij komt, dus eigenlijk werkt het veel meer efficiënt dicht bij de zon. De missies die zijn gepland om naar het buitenste zonnestelsel te kijken; bijna allemaal hadden ze te maken met eerst naar het innerlijke zonnestelsel gaan, dicht bij de zon vliegen, een goede boost krijgen en daarna uitgaan. Maar de missies op korte termijn waar we naar kijken, zijn missies die zweven; ze gaan niet echt snel. Er is een balanspunt tussen de zwaartekracht van de aarde en de zwaartekracht van de zon, het Lagrange-punt, en we hebben daar nu satellieten. Dat vereist geen specifieke voortstuwing, maar als je ergens dichter bij de zon wilt zitten en zweven (om bij dat specifieke punt in de ruimte te komen), dan moet je wat voortstuwingsvermogen hebben en onze wetenschappers hebben een intense interesse op dat moment willen zijn. Je kunt je voorstellen hoe dat een voordelige plek zou kunnen zijn om wat instrumenten tussen de aarde en de zon te plaatsen om te begrijpen hoe die fysieke eigenschap is.
Ok, dus ik begrijp het; het zou zijn alsof de zon een waaier was en jij je zeil had en je liet het naar de zon afdrijven tot het punt dat de kracht van de energie van de zon die eraf komt perfect gebalanceerd is om het zonnezeil op het punt vast te houden. Het zou niet verder gaan of dichterbij komen.
Rechtsaf. Dat is juist.
Wat voor soort experimenten zou je willen doen als je zo dichtbij zou kunnen komen en in staat zou zijn om station te houden?
Ik ben een voortstuwingsingenieur, geen onderzoekswetenschapper; ze kunnen veel beter uitleggen wat ze precies bestuderen, maar sommige van de instrumenten die ze erop willen plaatsen meten de magnetosfeer, ze meten deeltjes met hoge energie terwijl ze voorbijgaan. Van bijzonder belang is het detecteren van coronale massa-ejecties; dit zijn de grote flare-gebeurtenissen die plaatsvinden op de zon, die, zodra ze de aarde bereiken, onze communicatie echt kunnen verstoren en ze kunnen zelfs gevoelige elektronische apparatuur beschadigen en vernietigen. Een dergelijke uitbarsting in 1986 veroorzaakte alleen al in Noord-Amerika enkele miljoenen dollars aan schade, dus we willen die gebeurtenissen kunnen voorspellen wanneer ze plaatsvinden en als we voldoende waarschuwingstijd hebben, kunnen we onze apparatuur uitschakelen of, in bepaalde omstandigheden, ze bewaren om gewond te raken, dus het is belangrijk om te weten wanneer er een coronale massa-ejectie komt.
Wat zou de toekomst in petto hebben voor deze technologie, met het kunnen verkennen van het buitenste zonnestelsel?
Nou, dat is een goed punt. Zoals ik net al zei, kunnen deze coronale massa-uitwerpingen ook erg schadelijk zijn voor onze astronauten, dus NASA kijkt in de nabije toekomst terug naar de maan en Mars, waar veel over is gesproken. We moeten kunnen voorspellen wanneer deze gebeurtenissen (coronal mass ejections) plaatsvinden, zodat onze astronauten van die gebeurtenissen naar veilige havens kunnen komen, dus we zullen deze waarschuwingssatellieten waarschijnlijk in de buurt van de maan en mars en mogelijk rond moeten hebben het zonnestelsel als waarschuwing daarbij. (Daarna) uiteindelijk is er in de toekomst een intense interesse om de structuur van ons zonnestelsel buiten de baan van Pluto te willen begrijpen, met name de Heliopause, nu is het Voyager-ruimtevaartuig net die regio binnengekomen; er zijn een aantal interessante resultaten teruggekomen; en er is veel dat we willen weten in die regio van de ruimte. Net daarachter wordt de Oort-wolk genoemd, wat vermoedelijk het gebied van de ruimte is waar veel van de kometen die we zien het grootste deel van hun leven leven, maar af en toe komen ze in de zon. Er is dus nogal wat wetenschap te doen; waarnemen en verkennen net buiten de randen van het zonnestelsel.
Zou er bij het bouwen van een zonnezeil iets anders zijn dat naar het buitenste zonnestelsel zou kunnen reizen dan waar je nu aan werkt?
Het hoeft niet zo te zijn. Je zou de technologie kunnen nemen die we nu nastreven om deze coronale massa-ejectiesignalen te doen en je zou dat zeil op een missie kunnen sturen. Het probleem is dat het nodig is of meer om bij die Oort-wolken te komen en de Heliopause in te gaan. Als we een zeil kunnen bouwen dat een grootteorde of een tiende van het gewicht is voor dezelfde hoeveelheid oppervlakte; dat is 10 keer beter als je wilt, dan kunnen we diezelfde missie in de helft van de tijd doen, dus om die missie echt te gaan overwegen, willen we beter presterende zeilen bouwen om het echt te doen en het tijdens ons leven te doen, als je wil.
Hoe laat is het tijdschema voor het prototype dat u aan het testen bent en uw toekomstplannen?
Dat is iets waar op dit moment veel onderzoek naar gedaan wordt bij de dienst; er is met name een wetenschappelijke adviescommissie die samenkomt en bepaalt wat hun wetenschappelijke prioriteiten zijn en die de datum vaststelt waarop de zeilen gereed moeten zijn. Als het klaar kan zijn ..., nou, wat we de afgelopen 3 jaar hebben gedaan en dat heeft geleid tot deze tests in Plumbrook, is om ons best te doen om een zonnevaart te ontwerpen en te bedienen in een gesimuleerde ruimteomgeving. De volgende stap is om de ruimte in te gaan en dat wordt een belangrijke stap. We moeten echt een vlucht van het zonnezeil hebben en zien hoe het in de ruimte werkt: de belastingen op de structuur van het zeil zijn veel, veel minder dan hier op de grond. De zwaartekracht belast de zeilen 4000 keer hoger dan wat de zon zal doen. Er is dus een echt echte omgeving in de ruimte en we moeten het (het zeil) meenemen om het uit te testen. Dat is nog 3-5 jaar om dat soort dingen te doen, en dan zal het klaar zijn om te worden geïnfuseerd in een wetenschappelijke missie; Nominale planning- en ontwikkelingsfase van de ruimtemissie van 3-5 jaar. Dus, in de komende tien jaar, zeker, verwacht ik een zonnezeil te zien vliegen.
