LightSail 2 heeft het zonnezeil vijf maanden geleden ingezet en het draait nog steeds om de aarde. Het is een succesvolle demonstratie van het potentieel van ruimtevaartuigen op zonne-energie. Nu heeft het LightSail 2-team van The Planetary Society een paper uitgebracht met hun bevindingen van de missie tot nu toe.
Het zonnezeilconcept bestaat al een tijdje, eigenlijk helemaal terug naar Johannes Kepler. In 1607 ging Halley's komeet over en Kepler zag hoe de staart van de komeet van de zon wegstroomde. Hij dacht, terecht, dat zonlicht verantwoordelijk was. In een brief aan Galileo die nogal beroemd is in astronomische kringen, zei Kepler: "Zorg voor schepen of zeilen aangepast aan de hemelse wind, en er zullen sommigen zijn die zelfs die leegte trotseren." Best wel gaaf.
Natuurlijk kon Kepler op geen enkele manier weten hoe goed hij was. Maar nu, dankzij The Planetary Society en anderen, doen we dat.
De Planetary Society is een pionier op het gebied van zonnezeilen. LightSail 2 is eigenlijk hun derde ruimtevaartuig op zonne-energie, in de voetsporen van LightSail 1, en hun oorspronkelijke voorloper de Cosmos 1, die de baan niet bereikte toen de lanceerraket faalde. Een derde ruimtevaartuig op zonne-energie, LightSail 3 genaamd, zal het zon-aarde-kalibratiepunt L1 bereiken als alles goed gaat.
Als een van de eerste ruimtevaartuigen op zonne-energie leert LightSail 2 ons waardevolle lessen over het potentieel en de beperkingen van zonne-zeilen. Op 10 januari heeft de Planetary Society een paper uitgebracht waarin enkele van die lessen worden beschreven. Het artikel is getiteld "Orbit and Attitude Performance of the LightSail 2 Solar Sail Spacecraft."
LightSail 2 bezwijkt langzaam om te slepen en komt dichter bij de aarde. Toen het werd ingezet, voorspelde orbitale modellering dat het ongeveer een jaar nadat de zeilen waren ingezet naar de aarde zou vallen. Maar het ruimtevaartuig bevindt zich in een hoge baan om de aarde op ongeveer 720 km (447 mijl), veel hoger dan andere satellieten en ruimtevaartuigen zoals het internationale ruimtestation ISS, dat in een baan om 400 km (249 mijl) draait.
Er zijn relatief weinig gegevens over de atmosferische dichtheid op die hoogte en over het resulterende baanverval, dus de voorspelling van één jaar was niet precies. Maar dankzij LightSail 2 weten we nu dat de atmosferische weerstand op die hoogte sterk genoeg is om LightSail 2 naar de aarde te trekken. Een van de redenen daarvoor is dat het ruimtevaartuig niet altijd zonne-zeilen is.
Tijdens elke baan van 100 minuten besteedt LightSail 2 slechts ongeveer 28 minuten aan het vastleggen van zonnefotonen, en dat is de enige keer dat het zijn traject kan veranderen. De rest van de tijd wordt doorgebracht in een zonsverduistering, beweegt rechtstreeks naar de zon of past de oriëntatie aan. Die 28 minuten werkelijke vaartijd is niet voldoende om de atmosferische weerstand volledig tegen te gaan.
Dat is slechts een van de dingen die The Planetary Society heeft geleerd van hun LightSail 2-project. Maar binnen die banen zijn er andere variabelen.
Het team vergeleek de prestaties van LightSail 2 wanneer het willekeurig was georiënteerd versus wanneer het actief was gericht op zonnezeilen. Ze ontdekten dat wanneer het ruimtevaartuig willekeurig was georiënteerd, de halve grote as van zijn baan met 34,5 meter per dag afnam. Toen het actief georiënteerd was, kromp dezelfde maatregel slechts 19,9 meter per dag. Maar er is veel variatie in zijn baan en soms verhoogde het kleine ruimtevaartuig zijn baan met 7,5 meter per dag.
De video toont een enkele baan voor LightSail 2. Let op de rode en blauwe lijnen bovenop het ruimtevaartuig. De rode lijn geeft de richting van de zon aan en de blauwe lijn is de richting van het lokale magnetische veld. Bij het naderen van de zon, veren het ruimtevaartuig zijn zeilen en wanneer het actief vaart, draait het zijn zeilen om de fotonen van de zon te vangen. De hoek van de zon tot -z verandert van ongeveer 90 graden in ongeveer 0 graden.
Over het algemeen kan zonnezeilen de atmosferische weerstand niet overwinnen, maar daar zijn deze ruimtevaartuigen niet echt voor ontworpen. Hun potentieel ligt in interplanetair reizen, vrij van atmosferen en planetaire verduisterende effecten. NASA's NEA Scout-ruimtevaartuig (Near Earth Asteroid Scout) zal twee jaar onder zonne-energie voortstuwing doorbrengen om een asteroïde te bereiken, hoewel het een eerste voortstuwingsimpuls krijgt van stuwraketten met koud gas.
Het hoogtepunt en het perigeum van LightSail 2 fietsen de afgelopen vijf maanden sinds de introductie op en neer. Onmiddellijk na de inzet verhoogde het ruimtevaartuig zijn hoogtepunt, waardoor het het eerste ruimtevaartuig op zonne-energie was dat dit deed. Tegelijkertijd nam het perigeum af. Eind oktober kende de trend een ommekeer en in december een ommekeer.
Er zijn een aantal redenen waarom de baan deze cycli doorloopt. Ten eerste is de aarde een afgeplatte sferoïde, geen bol. Dat betekent dat de diameter aan de evenaar ongeveer 42 km (26 mijl) groter is dan aan de polen. Dat zorgt ervoor dat het ruimtevaartuig precessie of wiebeligheid ervaart.
De tweede reden voor de Apogee / Perigee-cycli van LightSail 2 is het pad van de aarde rond de zon. Die beweging verandert de hoek tussen de zon en de posities van het apogeum en het perigeum van het ruimtevaartuig.
LightSail 2 is een geweldig demonstratieruimtevaartuig, maar het heeft wel beperkingen. Een daarvan is het enkele momentumwiel. Het ruimtevaartuig gebruikt dat wiel om zichzelf parallel of loodrecht op de zonnestralen te oriënteren, afhankelijk van of het zijn zeilen bevedert of actief vaart. Aanvankelijk deed het grondpersoneel dit handmatig, wat niet efficiënt was. Nu hebben ze het proces geautomatiseerd en het ruimtevaartuig presteert daardoor beter.
Maar tijdens dat proces leerde het team een van hun waardevolle lessen. Frequente veranderingen in zeiloriëntatie geven het ruimtevaartuig een aanzienlijk momentum. Een van de belangrijkste technische uitdagingen is het beheersen van dat momentum.
Een andere les is zonne-energie. De zonnezeilen zijn uitsluitend bedoeld voor zonnezeilen. LightSail 2 heeft een aantal zeer kleine zonnepanelen die voorzien in de magere stroombehoeften van het ruimtevaartuig.
Het oorspronkelijke ontwerp vereiste kleine zonnepanelen aan beide zijden van het vaartuig, maar de panelen aan de ene kant werden verwijderd om speciale spiegels te bevatten die nodig zijn om de laserafstand nauwkeurig te kunnen bepalen. Maar nu er maar aan één kant zonne-energie is, worden die panelen soms overschaduwd door de zeilen. Dit leidt tot brownouts. Het team heeft dat tot op zekere hoogte kunnen omzeilen door het energieverbruik van het ruimtevaartuig en de modus voor houdingbeheersing te beheren. Maar het is een goede les voor toekomstig ruimtevaartuig op zonne-energie.
Het LightSail 2-team heeft ook een andere modus toegevoegd aan het ruimtevaartuig dat ze de zon-wijzende modus noemen.
De zon-wijzende modus houdt het zonnezeil van het ruimtevaartuig gedurende de gehele baan naar de zon gericht. Dit zal de heroriëntatie van het ruimtevaartuig beperken om het effect van frequente oriëntatieveranderingen die het ruimtevaartuig een problematisch momentum geven door het impulswiel te verminderen. Het helpt ook bij het opladen van de batterij door de zonnecellen, hoewel het het orbitale verval niet zal verminderen.
De nieuwe modus zal ook helpen met de aanwijsnauwkeurigheid van het ruimtevaartuig en zal het een meer consistente starthouding geven voor aan / uit stuwmanoeuvres.
De Planetary Society is van plan het orbitale verval van het ruimtevaartuig nauwlettend te volgen om te zien welk effect de zeilen zelf hebben. Dit is grotendeels voor andere teams die bestuderen hoe sleepzeilen kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen doelbewust uit de baan te halen.
Ze blijven ook foto's maken. De belangrijkste reden voor de foto's is om de staat van de zeilen te volgen, maar het is ook een leuke eye-catcher.
Je kunt meer te weten komen over LightSail 2 op de website van The Planetary’s Society. Ze zijn een non-profitorganisatie, dus u kunt lid worden als u deel wilt uitmaken van hun missie. Het is een geweldige manier voor burgers om bij te dragen.
Meer:
- Persbericht: Dit is wat we tot nu toe hebben geleerd van LightSail 2
- Volledig rapport: baan- en houdingsprestaties van het LightSail 2 Solar Sail-ruimtevaartuig
- The Planetary Society: The Story of LightSail, deel 1
