מפרש שמש הוא דרך להניע חללית באמצעות לחץ של אור וגזים בעלי מהירות גבוהה (נקרא גם לחץ אור סולארי) הנפלט מכוכב. בואו נסתכל מקרוב על המכשיר שלו.
שימוש במפרש פירושו נסיעות בחלל בעלות נמוכה בשילוב עם תוחלת חיים ארוכה. בשל היעדר חלקים נעים רבים, כמו גם הצורך להשתמש בחומרי הנעה, ספינה כזו ניתנת לשימוש חוזר בפוטנציה לאספקת מטענים. לפעמים משתמשים גם בשמות אור או מפרש פוטון.
סיפור קונספט
יוהנס קפלר הבחין פעם שזנבו של כוכב שביט מביט מהשמש, והציע שהכוכב הוא זה שיוצר את האפקט הזה. במכתב לגלילאו ב-1610 הוא כתב: "ספק לספינה מפרש המותאם לרוח השמש, ויהיו מי שיעזו לחקור את החלל הזה". אולי במילים אלו הוא התייחס בדיוק לתופעת "זנב השביט", למרות שפרסומים בנושא זה הופיעו מספר שנים לאחר מכן.
ג'יימס ק. מקסוול פרסם בשנות ה-60 של המאה ה-19 את התיאוריה של השדה האלקטרומגנטיקרינה, שבה הראה שלאור יש מומנטום ולכן יכול להפעיל לחץ על עצמים. משוואות מקסוול מספקות את הבסיס התיאורטי לתנועת לחץ קל. לכן, כבר בשנת 1864, היה ידוע בתוך קהילת הפיזיקה ומחוצה לה שאור השמש נושא דחף המפעיל לחץ על עצמים.
ראשית, פיוטר לבדב הדגים בניסוי את לחץ האור ב-1899, ולאחר מכן ערכו ארנסט ניקולס וגורדון האל ניסוי עצמאי דומה ב-1901 באמצעות מד הרדיו של ניקולס.
אלברט איינשטיין הציג ניסוח שונה, שהכיר בשקילות של מסה ואנרגיה. עכשיו אנחנו יכולים פשוט לכתוב p=E/c כיחס בין תנע, אנרגיה ומהירות האור.
Svante Arrhenius חזה ב-1908 את האפשרות של לחץ מקרינת שמש הנושאת נבגים חיים למרחקים בין-כוכביים, וכתוצאה מכך, את הרעיון של פנספרמיה. הוא היה המדען הראשון שטען שאור יכול להעביר עצמים בין כוכבים.
פרידריך זנדר פרסם מאמר הכולל ניתוח טכני של מפרש השמש. הוא כתב על "השימוש ביריעות ענקיות ודקות מאוד של מראות" ו"הלחץ של אור השמש להשגת מהירויות קוסמיות."
הפרויקטים הרשמיים הראשונים לפיתוח טכנולוגיה זו החלו ב-1976 במעבדת הנעה סילון למשימת מפגש מוצעת עם השביט של האלי.
איך עובד מפרש שמש
האור משפיע על כל כלי הרכב במסלול כדור הארץ או בתוכומרחב בין-פלנטרי. לדוגמה, חללית קונבנציונלית המכוונת למאדים תהיה במרחק של יותר מ-1,000 ק מ מהשמש. ההשפעות הללו נלקחו בחשבון בתכנון מסלול מסע בחלל מאז החללית הבין-כוכבית הראשונה בשנות ה-60. קרינה משפיעה גם על מיקום הרכב, ויש לקחת גורם זה בחשבון בתכנון הספינה. הכוח על מפרש השמש הוא 1 ניוטון או פחות.
השימוש בטכנולוגיה זו נוח במסלולים בין-כוכביים, שבהם כל פעולה מתבצעת בקצב נמוך. וקטור הכוח של המפרש הקל מכוון לאורך קו השמש, מה שמגביר את האנרגיה ואת התנע הזוויתי של המסלול, וגורם לספינה להתרחק מהשמש. כדי לשנות את נטיית המסלול, וקטור הכוח נמצא מחוץ למישור וקטור המהירות.
בקרת מיקום
יש צורך במערכת בקרת גישה (ACS) של חללית כדי להגיע ולשנות את המיקום הרצוי תוך כדי נסיעה ביקום. המיקום המוגדר של המנגנון משתנה באיטיות רבה, לעתים קרובות פחות ממעלה אחת ביום במרחב הבין-פלנטרי. תהליך זה מתרחש הרבה יותר מהר במסלולי כוכבי הלכת. מערכת הבקרה של רכב המשתמש במפרש סולארי חייבת לעמוד בכל דרישות ההתמצאות.
השליטה מושגת על ידי מעבר יחסי בין מרכז הלחץ של הכלי למרכז המסה שלו. ניתן להשיג זאת באמצעות שבבי שליטה, הזזת מפרשים בודדים, הזזת מסת שליטה או שינוי הרפלקטיבייכולות.
מצב עמידה מחייב ACS לשמור על מומנט נטו באפס. רגע הכוח של המפרש אינו קבוע לאורך המסלול. משתנה עם המרחק מהשמש ומהזווית, מה שמתקן את מוט המפרש ומסיט כמה אלמנטים של המבנה התומך, וכתוצאה מכך שינויים בכוח ובמומנט.
Restrictions
מפרש השמש לא יוכל לעבוד בגובה נמוך מ-800 ק מ מכדור הארץ, שכן עד למרחק זה כוח התנגדות האוויר עולה על כוח הלחץ הקל. כלומר, השפעת לחץ השמש מורגשת בצורה חלשה, והיא פשוט לא תעבוד. קצב הסיבוב של כלי השיט חייב להיות תואם למסלול, וזה בדרך כלל בעיה רק עבור תצורות דיסק מסתובב.
טמפרטורת הפעולה תלויה במרחק השמש, בזווית, ברפלקטיביות וברדיאטורים קדמיים ואחוריים. ניתן להשתמש במפרש רק כאשר הטמפרטורה נשמרת בגבולות החומר שלה. בדרך כלל ניתן להשתמש בה קרוב למדי לשמש, בסביבות 0.25 AU, אם הספינה מתוכננת בקפידה לתנאים אלה.
תצורה
אריק דרקסלר יצר אב טיפוס מפרש שמש מחומר מיוחד. זוהי מסגרת עם פאנל של סרט אלומיניום דק בעובי של 30 עד 100 ננומטר. המפרש מסתובב וחייב להיות כל הזמן בלחץ. למבנה מסוג זה יש שטח גבוה ליחידת מסה ולכןהאצה "מהירה פי חמישים" מאלה המבוססות על סרטי פלסטיק הניתנים לפריסה. זהו מפרש מרובע עם תרנים וקווים תאומים בצד האפל של המפרש. ארבעה תרנים מצטלבים ואחד מאונך למרכז כדי להחזיק את החוטים.
עיצוב אלקטרוני
Pekka Janhunen המציאה את המפרש החשמלי. מבחינה מכנית, יש לו מעט במשותף עם עיצוב אור מסורתי. את המפרשים מחליפים בכבלים (חוטים) מוליכים מישרים המסודרים באופן רדיאלי מסביב לספינה. הם יוצרים שדה חשמלי. הוא משתרע כמה עשרות מטרים לתוך הפלזמה של רוח השמש שמסביב. אלקטרונים סולאריים משתקפים על ידי השדה החשמלי (כמו פוטונים על מפרש שמש מסורתי). ניתן לכוון את הספינה על ידי ויסות המטען החשמלי של החוטים. למפרש החשמלי יש 50-100 חוטים מיושרים, באורך של כ-20 ק מ.
ממה הוא עשוי?
החומר שפותח עבור מפרש השמש של דרקסלר הוא סרט אלומיניום דק בעובי 0.1 מיקרומטר. כצפוי, הוא הוכיח חוזק ואמינות מספיקים לשימוש בחלל, אך לא לקיפול, שיגור ופריסה.
החומר הנפוץ ביותר בעיצובים מודרניים הוא סרט אלומיניום "קפטון" בגודל 2 מיקרון. הוא מתנגד לטמפרטורות גבוהות ליד השמש והוא חזק מספיק.
היו כמה תיאורטייםספקולציות לגבי יישום טכניקות ייצור מולקולריות ליצירת מפרש מתקדם, חזק וקל במיוחד המבוסס על רשתות בד ננו-צינוריות שבהן ה"פערים" הארוגים הם פחות ממחצית אורך הגל של האור. חומר כזה נוצר רק במעבדה, והאמצעים לייצור בקנה מידה תעשייתי עדיין אינם זמינים.
המפרש הקל פותח סיכויים נהדרים למסע בין כוכבי. כמובן שעדיין יש הרבה שאלות ובעיות שתצטרך להתמודד איתם לפני שנסיעה ביקום עם עיצוב חללית כזה יהפוך לדבר נפוץ עבור האנושות.
