Riešenie nadbytočného problému - Ako blízko môže slnečná energia odplávať k slnku - Bernd
V posledných niekoľkých desaťročiach slnečné plachty ako alternatívny pohon mierne poklesli. Iónové disky sa na druhej strane čoraz viac využívajú. Existujú na to určite dôvody. Na jednej strane pokrok v dodávke energie (prostredníctvom solárnych článkov) zatraktívnil iónový pohon. Na druhej strane chýbajú projekty, ktoré by preukázali rozumné využitie solárnych plachiet.
Slnečné plachty majú vždy jednu výhodu - nespotrebúvajú žiadne palivo a ich „ťah“ sa zvyšuje, čím bližšie sa dostanete k slnku. Boli by teda alternatívou pre misie do vnútornej slnečnej sústavy. V súčasnosti existujú tri - Solar Orbiter, Parker Solar Probe a BepiColombo. Bolo by to tiež mysliteľné. dostať sa veľmi blízko k slnku a počas odstraňovania ďalej akcelerovať a získať tak dostatočný ťah na exkurziu do vonkajšej slnečnej sústavy.
Ako blízko sa ale môžete dostať k slnku?
Každý môže logicky pochopiť, že energia, ktorá padá na plachtu. Čím viac sa blížite k slnku, tým väčšie je - pretože plocha, na ktorú je distribuované neustále žiarenie zo slnečného povrchu, sa zmenšuje a zmenšuje. Na Merkúre sú teploty až 425 ° C.
Vzťah medzi vzdialenosťou a absorbovanou energiou je pomerne jednoduchý:
Telo je obklopené sférickou guľou, na ktorú dopadá celá energia slnka. Plochu tejto sféry možno vypočítať podľa:
r: polomer = vzdialenosť od povrchu slnka
σ: Stefan-Bolzmann konštanta
Zjednodušené: Energia na jednotku plochy sa zvyšuje kvadraticky. Ak poznáte energiu, ktorá padá na jeden meter štvorcový v určitej vzdialenosti, môžete vypočítať energiu pre každú oblasť a ľubovoľnú vzdialenosť. Na 149,6 milióna km (priemerná vzdialenosť od Zeme k slnku) je to 1355 W/m².
Podľa zákona Stefan-Bolzmann možno vypočítať teplotu čierneho telesa:
Stefan-Bolzmannova konštanta σ = 5,67 × 10 -8 W/m²/K 4 platí pre zemskú vzdialenosť. Plocha 1 m² (F) a 1355 W/m² (P) sa vypočítajú ako 393 K = 120 ° C. To je podstatne viac ako teplota samotnej Zeme. Pretože uvedený zákon platí pre ideálne čierne telo, ktoré absorbuje všetko žiarenie, neodráža žiadne a zohrieva sa, kým nedôjde k rovnováhe medzi emitovaným a absorbovaným žiarením. Zem sa však otáča, čo znamená, že žiarenie sa distribuuje aj dozadu, ktorý nie je priamo osvetlený a je to guľa, nie kruh. Kruh o veľkosti zeme má plochu pi × r², ale pologuľa má plochu 2 × pi × r². Atmosféra sa tiež zahrieva a prispieva k distribúcii, ale funguje aj ako zdroj tepla a v neposlednom rade najdôležitejší faktor: Zem neabsorbuje všetko žiarenie, inak by pri pohľade z vesmíru bola iba čiernym kruhom.
Musíte pridať stupeň odrazu. Vyjadruje sa to tak, že sa absorbuje iba časť energie. Zvyšok sa odráža späť do vesmíru. Zem má odrazivosť asi 36%, mesiac je podstatne tmavší pri 12%, a preto je na Mesiaci tiež horúcejšie (okrem iných faktorov, ako napríklad pomalá rotácia). Najvyšší stupeň odrazu prírodných povrchov má čerstvo napadnutý sneh, ktorý môže dosiahnuť až 90%. Každý vie, že v zime, keď vás za jasného slnečného žiarenia oslepujú zasnežené povrchy. Existuje dokonca ochorenie nazývané snehová slepota.
Solárne plachty zvyčajne pozostávajú z kaptonovej fólie potiahnutej hliníkom alebo parou. Kapton je plast, z ktorého je možné vyrobiť veľmi tenké fólie, a ktorý je preto na tento účel zvlášť vhodný.
Je logické, že sa môžete priblížiť k slnku, kým nie je teplota plachty taká vysoká, že dôjde k poškodeniu materiálov. Hliník bez problémov vydrží 500 ° C, Kapton ako plast je odolný aj na plast, spomínajú sa až 400 ° C. Ale to sú krátkodobo najvyššie hodnoty. Z dlhodobého hľadiska je možné dosiahnuť najmenej 260 ° C. Hliník ako povlak odráža väčšinu žiarenia, čo je žiaduce, pretože zvyšuje ťah (pri odraze 1 sa zdvojnásobuje v porovnaní s čiernym telom). Hliník má odrazivosť 0,9 v širokom vlnovom rozsahu.
Vyššie uvedený vzorec, ktorý sa používa pre odrazivosť 0,9, poskytuje teplotu 221 ° C. To je už o 170 ° C menej ako pri úplnej absorpcii žiarenia. Naformátujte jeden, aby ste sa dostali na zaznamenané žiarenie:
P = T 4 × σ/(1-odrazivosť)
Pri T = 523 K (260 ° C), stupeň odrazu = 0,9, P = 45760 W/m²
Táto vzdialenosť nám dáva porovnanie so žiarením vo vzdialenosti Zeme a my sa zakoreníme kvôli kvadratickému nárastu žiarenia:
r = 149,6 milióna km/koreň (45760/1355)
r = 25,8 milióna km
To je veľmi blízko, o niečo viac ako tretina priemernej vzdialenosti od Merkúra k Slnku a menej ako polovica minimálnej vzdialenosti. Energia je nevyhnutná pre ťah a je 33-krát vyššia ako v blízkosti Zeme, takže zrýchlenie je tiež 33-krát vyššie.
Existujú dva prípady. Ak chcete ísť do vnútornej slnečnej sústavy, výhody sú zrejmé. Na diaľku sa dostanete buď početnými výhybkami (sedem pomocou Parker Solar Probe, dokonca deväť pomocou Solar Orbiter), alebo iónovými tryskami (BepiColombo). Iónové motory majú úžitok aj zo zmenšovania vzdialenosti od slnka, pretože elektrinu vytvárajú solárne články, ale stratia výkon, keď sa príliš zahrejú. Je možné približne dvojnásobný výkon ako pri zemi, potom musíte nastaviť čoraz väčší sklon, aby nedošlo k prehriatiu. Slnečná plachta s 50% užitočným zaťažením a dnešná technológia (plošná hmotnosť 14 g/m²m vzpery: 120 g/m, štvorcová plachta) dosiahne 26 miliónov km za 1 rok 244 dní. Ak začínate s prekročením 3 km/s - pri počiatočnej rýchlosti zo Zeme je to len okolo 400 m/s, je to iba 1 rok 4 dni. Pre porovnanie: Spoločnosť Bepi Colombo potrebuje na dosiahnutie ortuti viac ako 5 rokov.