Dipl. ing. Drago I. Dragović dragovic@net.yu

Kalendar kroz istoriju Molim te objasni mi Popust

22. 12. 2006.

Kliknite na sliku
	Jedan od projekata za buduće ultralako solarno jedro. Prikazan je momenat kada je jedro tek u fazi otvaranja; visina je oko 180 km. Sâmo jedro je napravljeno od rupičaste aluminijumske folije debele od 30 do 100 nanometara.

Otkako je početkom XX veka u nauci razvijen jedinstven koncept fotona kao čestice, mnogi pisci i naučnici predlagali su upotrebu solarnog jedra kao jeftinog (da ne kažem besplatnog) načina za istraživanje galaksije. Taj koncept se bazirao načinjenici da fotoni, iako ne poseduju masu imaju impuls, što je proizlazilo iz Ajnštajnovog rada iz 1905. godine o fotoelektričnim efektima, što mu je uostalom i donelo Nobelovu nagradu.

Izgleda da je prva ideja o korišćenju solarnog jedra za istraživanje kosmosa potekla iz pera Johannesa Keplera još u XVII veku, a potom našla plodno tlo u Sovjetskom Savezu tokom dvadesetih godina prošlog veka. U pitanju su bili radovi jednog od pionira raketarstva i kosmotehnike Фридрихa Артуровичa Цандерa (1887–1933), čoveka koji je projektovao prvu raketu na tečno gorivo u Sovjetskom Savezu [1].

Sâm termin "solarno jedro" se često pogrešno interpretira, jer ga mnogi shvataju kao pravo jedro, koje svoj potisak dobija od vetra, doduše solarnog. To se donekle dâ opravdati, jer se jedan deo ljudske istorije u dobroj meri zasnivao na pomorskim jedrenjacima koji su plovili zahvaljujući atmosferskim vetrovima. U stvarnosti, potisak od solarnog vetra je nekoliko redova veličina slabiji od onog koga stvara solarno zračenje. U nastavku teksta ćemo se malo pozabaviti njihovim kvantitativnim upoređivanjem.

Faktor o kome takođe treba voditi računa je Sunčeva gravitacija. Bez obzira koliko je jedro lako, ono reaguje na solarnu gravitaciju, što je bitan faktor pri konstruisanju jedra.

Fotoni nemaju masu i kreću se brzinom svetlosti (c), oko 300.000 km/s. Njihova energija (E) je obrnuto proporcionalna talasnoj dužini; fotoni manje talasne dužine, kao što su X–zraci, imaju vrlo veliku energiju, dok su fotoni sa većom talasnom dužinom, kao što su radio–talasi, imaju manju energiju.

Klasična definicija impulsa (p) je (masa) x (brzina). Međutim, u slučaju da svi fotoni budu apsorbovani od solarnog jedra (crno telo), impuls će biti

,

dok će u slučaju da svi fotoni budu reflektovani od jedra (idealno ogledalo) impuls će biti

.

Sila koja utiče na solarno jedro zavisi od stepena njegove refleksije, i ta energija koju izazivaju fotoni pri sudaru iznosi:

,

gde je

F – sila na m² jedra izražena u Njutnima (N),

I – jačina Sunca izražena u vatim po m² (W/m²); iznosi oko 1.400 na udaljenosti od 1 A. J.,

k – iznosi 0 za potpuno apsorbujuće jedro, a 1 za potpuno reflektivno jedro,

c – brzina svetlosti; iznosi 3 x 10⁸ m/s.

Tako dakle za totalno reflektivno jedro sila po kvadratnom metru će iznositi oko 9,3 x 10^–6 N ili izraženo drugačije, 9,5 x 10^–7 kg, odn. 0,0009483 miligrama – očigledno se radi o veoma maloj sili, zar ne? Međutim, za jedra velike površine, od recimo 1 km², sila bi iznosila 9,3 N. Ako iskombinujemo dobijenu silu i ukupnu težinu od recimo 10.000 kg, dobićemo ubrzanje od

m/s²,

ili 0,93 mm/s². To je očito vrlo malo ubrzanje. Ali, za jedan 24–časovni dan, kosmički brod opremljen takvim jedrom bi dobio ubrzanje od 80,35 m/s, odn. 290 km/h. Jasno je da sa porastom udaljenosti od Sunca opada i njegova jačina, ali je jasno i da bi brod ipak postepeno povećavao brzinu i to bez ikakvog utroška energije. (Teorijski, za pogon na velikoj udaljenosti od Sunca mogao bi da se koristi i snažan laser.)

A da vidimo drugu soluciju. Solarni vetar je zapravo produžetak Sunčeve korone. Njegova prosečna brzina u ravni ekliptike je oko 300 – 800 km/s. Sastoji se od naelektrisanih čestica, elektrona i protona (oko 1 KeV), tj. plazme, gustine oko 1–10 jona/cm³. Oko 95% tih jona su vodonikovi joni (H⁺), 4% čini dvostruko jonizovani helijum (He⁺⁺) i oko 0,5% su drugi, često nazivani, mali joni. Ako pretpostavimo da je prosečna brzina jona oko 400 km/s (4 x 10⁵ m/s), a gustina plazme oko 3 /cm³ (3 x 10⁶/m³), lako možemo da izračunamo jačinu Sunčevog vetra na kvadratnom metaru jedra. Treba da uvrstimo i realnu pretpostavku da je prosečna masa pojedinačnog jona oko 25% veća od mase jona H⁺ (1,67 x 10^–27 kg), tj. da iznosi 2,09 x 10^–27 kg.

N

Lako je primetiti da je odnos sila fotona i solarnog vetra preko 9000:1. Tačno je da ekstremni solarni vetrovi povremeno mogu da stvore jaču silu nego što je u našem primeru, ali teško da mogu da se približe vrednostima fotona.

Postoji još jedna stvar koja se tiče solarnih jedara: to su negativni efekti Sunčeve gravitacije. U stanju smo da proračunamo jednakost između gravitacionog privlačenja i fotonske repulzije (odbijanja). Pretpostavimo najpovoljniji slučaj, a to je da jedro omogućava totalnu refleksiju:

 Njutna

 Njutna

Postavimo da je

,

i odatle dobijamo:

m_jedra = 1,58 x 10^–3 kg ili 1,58 grama.

Tako smo dobili da će za 1 kvadratni metar jedra mase od 1,58 grama fotonska repulzija biti anulirana gravitacionim privlačenjem Sunca. Očigledno je da je potrebno stvoriti jedro koje će promeniti taj odnos i time omogućiti nošenje značajnijeg tereta.

Koliko znam, trenutno ne postoji nijedan čvrst plan koji bi predviđao korišćenje solarnog jedra za istraživanje Mlečnog Puta. Znam da je planirano da fotonski pritisak posluži za stabilizaciju James Webb Space Telescope. JWST je planiran za 2013. godinu kao zamena za Hablov teleskop. Ako NASA obezbedi dolare i stvarno lansira ovaj sofisticirani uređaj, biće lociran u nestabilnoj L₂ Lagranžovoj tački, a njegov veliki "suncobran", koji služi za rashlađivanje infracrvene optike teleskopa, radiće i kao solarno jedro i pomagaće stabilizaciji teleskopa na L₂ lokaciji.

Dokaza da čitav projekat ima budućnost, pokazuju i stalna istraživanja na tom polju. Iako do sada solarno jedro nikada nije poslužilo kao glavni pogonski sistem, Japanci su 9. avgusta 2004. godine uz pomoć tzv. sounding rocket [2] uspešno postavili dva solarna jedra. Jedno je bilo oblika deteline sa 4 lista i postavljeno je na visini od 122 km, dok je drugo u obliku ventilatora bilo dignuto na 169 km. Oba jedra su koristila tanku foliju debljine svega 7,5 mikrometra.

Interesantno je da su i Rusi zainteresovani za ovaj sistem letilica, pa je njihova Akademija nauka, zajedno sa Planetarnim društvom [3] iz Amerike i "Cosmos Studiom" učestvovala u privatnom projektu vrednom $4 miliona koji je imao za cilj lansiranje satelita "Cosmos 1". Misija je doživela neuspeh zbog kvara na raketi–nosaču.

Kliknite na sliku

Letilica sa solarnim jedrom je lansirana 21. juna 2005. godine sa ruske nuklearne podmornice klase "Delta III", "Borisoglebsk" iz Brencovog mora. Nažalost, reketa–nosač "Volna" (interkontinentalna balistička SS–N–18) je radila samo 83 sekunde i srušila se pre nego što je dospela u orbitu. Da je uspela, bilo bi to prvi put u istriji da je takvo jedro uporebljeno za ubrzavanje neke vasionske letilice. "Cosmos 1" je bio težak samo 100 kg.

Početkom ove godine, tačnije 21. februara, japanska agencija JAXA/ISAS u kooperaciji sa agencijama iz Koreje i Evrope, lansirala je satelit za infracrvena istraživanja "Akari" (ranije "ASTRO–F" ili IRIS). Satelit je uspešno stigao u orbitu, ali se jedro prečnika 15 metara nije uspešno otvorilo do kraja.

Ipak, ovi škrti uspesi neće obeshrabriti naučnike da se i u budućnosti pozabave ovom tehnički vrlo izazovnom temom. (Već danas se proizvode materijali čija je težina manja od 3 g/m², a planiraju se i molekulska ugljenična nanovlakna teška samo 0,1 g/m².) Jedna od predloženih tehnika u odbrani protiv asteroida koji bi zapretio da udari u Zemlju i uništi život na njoj je i da se kotvama zakači za džinovsko solarno jedro i odvuče sa za nas rizične orbite! Samo da ga uočimo na vreme!

Zbog ograničenih rezervi tečnog helijuma koji je služio za hlađenje, bilo je predviđeno da najvažniji infracrveni senzori funkcionišu oko 550 dana, dok bi se ostali senzori hlade mehanički i trajali duže. Zbog kvarova, sve je trajalo oko 500 dana. Bio je to drugi japanski satelit za snimanje čitavog neba u infracrvenom delu spektra. Satelit je nosio teleskop od 68,5 cm koji je bio hlađen na samo 6 K. "Akari" na japanskom znači "svetlost".

(26.12.2006.)

vrh

AM SCG

Reč, dve o raketama - Kratka šetnja kroz istoriju, kako se dele rakete....

Space shuttle šta je to?

Ko je sve leteo (decembar 2004)

Bio odeća” budućnosti (09.02.2005.)