Kann ein Satellit wie ein Radiometer funktionieren?

Die Zeichnung zeigt ein Crookes-Radiometer.

Sie scheinen sich sogar bei ein wenig Sonnenlicht gut zu drehen. Die übliche Erklärung ist leichter Druck auf die schwarzen Schaufeln.

Leider funktionieren sie nicht so. Photonen, die von der weißen Seite abprallen, übertragen mehr Impuls als solche, die von der schwarzen absorbiert werden: Wenn der Mechanismus leichten Druck ausübt, würden sie sich in die andere Richtung drehen. Ein Hinweis auf den richtigen Mechanismus ist, dass sie nicht im vollen Vakuum funktionieren. Es hat wahrscheinlich etwas damit zu tun, dass das Restgas und die schwarze Seite heißer sind.

Satelliten befinden sich in einem viel tieferen Vakuum als eine Crookes-Radiometerbirne. Was auch immer der Mechanismus ist, er wird für einen Satelliten nicht groß sein.

Aber es gibt noch ein gewisses Potenzial für die Verwendung von leichtem Druck für verschiedene Operationen. Es wurden Experimente mit verschiedenen Arten von „Segeln“ durchgeführt, um sie zu sammeln und zu verwenden.

Die Mars-Vorbeiflugsonden Mariner 3 und 4 hatten abgewinkelte Flügel an den Enden ihrer Solarpanelarme, die eine passive Stabilisierung des Raumfahrzeugs vor dem Druck der Sonnenstrahlung ermöglichten:

Genau das nennen wir ein Sonnensegel . Dies funktioniert für die Umlaufbahnwartung, wenn die Umlaufbahn nicht zu niedrig ist. Wenn es zu niedrig ist, ist der Gesamtimpuls (Kraft mal Zeit), der verloren geht, um über eine Umlaufbahn zu ziehen, größer als der Lichtdruckimpuls ( https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure ) über eine Umlaufbahn und die Umlaufbahn immer noch zerfällt, nur langsamer.

Sonnensegel haben den Nachteil, dass sie eine große Fläche benötigen, um viel Kraft zu erzeugen. Wenn Sie ein perfekt reflektierendes Segel in einem Abstand von 1 AE frontal zur Sonne drehen, beträgt die Kraft, die Sie auf das Segel ausüben, 4,5 Millionstel Newton pro Quadratmeter.

Die Widerstandskraft ist gegeben durch$Fd = \frac{1}{2} C_d A \rho V^2$, wo$C_d$ist der Luftwiderstandsbeiwert (für Umlaufgeschwindigkeiten und atmosphärische Dichten liegt er normalerweise sehr nahe bei 2), A ist die projizierte Fläche, ρ ist die atmosphärische Massendichte und V ist die Geschwindigkeit. Wenn derselbe Quadratmeter dem Geschwindigkeitsvektor in einer Höhe von 150 km gegenübersteht, wo die atmosphärische Dichte ungefähr ist$2 \cdot 10^{-9} kg/m^3$und die Umlaufgeschwindigkeit ~7.820 m/s beträgt, würde die erzeugte Widerstandskraft ~0,122 N betragen, fast fünf Größenordnungen höher als die Druckkraft des Sonnenlichts.

Natürlich ist das Sonnensegel nicht immer der Sonne oder dem Geschwindigkeitsvektor zugewandt, aber die Mittelwerte über eine Umlaufbahn würden etwa 1/2 bis 1/4 der Face-on-Werte betragen. Das Sonnensegel leidet darunter, dass es sich einen erheblichen Teil seiner Umlaufbahn im Schatten der Erde befindet (es sei denn, es befindet sich in einer fast polaren Umlaufbahn, die der Sonne zugewandt ist), sodass seine durchschnittliche Kraft über eine Umlaufbahn einen kleineren Bruchteil des frontalen Werts ausmacht als für Drag – Drag schaltet sich nie aus! Eine Umlaufbahnwartung mit einem Sonnensegel würde also in so geringen Höhen sicherlich nicht funktionieren.

Könnte ein Satellit ein steifes Segel wie die weiße Seite haben, um Licht durchzulassen, und wie die schwarze Seite Licht einfangen, um genug Kraft bereitzustellen, um ihn in der Umlaufbahn zu halten?

Nicht wirklich.

Lassen Sie uns den Punkt ignorieren, an dem Crookes Radiometer nach anderen Prinzipien arbeitet. Ja, Sie können den Sonnendruck verwenden, um Ihrem Fahrzeug Beschleunigung zu verleihen, und ja, das Ändern der Oberflächenfarbe ändert die Effektstärke.

1. Sonnensegel machen oberhalb von 1000 km Sinn - unterhalb dieser Höhe überwiegt der atmosphärische Luftwiderstand den Lichtdruck. Und die Zerfallszeit eines Satelliten bei 1000 km geht in Hunderte und Aberhunderte Jahre. Wo dies also funktionieren könnte , wird es nicht mehr benötigt .

2. Die Orbitalmechanik arbeitet gegen Sie. Jede fortschreitende Beschleunigung des Satelliten verlängert die Umlaufbahn auf der gegenüberliegenden Seite des Zentralkörpers. Wenn Sie während Ihrer Überfahrten auf der einen Seite weiter beschleunigen, wächst die Umlaufbahn zunächst auf der anderen Seite – Ihr Beschleunigungsbereich wird zur Periapsis, der passiven, dunklen Seitenoperation bei Apoapsis. Aber die Orbitalmechanik macht die Flugzeit in der Nähe der Apoapsis länger als in der Nähe der Periapsis, je exzentrischer die Umlaufbahn, desto drastischer der Unterschied. Und die "Dunkelbetriebsseite" Ihrer Sonde ist nicht vollständig passiv - sie wirkt etwa mit der halben Kraft der Beschleunigungsseite -, sondern in rückläufiger Richtung. Das heißt, Ihre Periapsis beginnt zu sinken! Die Exzentrizität nimmt zu, die Periapsis fällt schneller ab, und bald verbrennt der Satellit, deorbitiert.

In gewisser Weise ja – der Cubesat der US Naval Academy ParkinsonSAT wurde mit vier asymmetrischen Flächen entworfen, mit zu einer Seite versetzten Sonnenkollektoren und reflektierendem Band, das den verbleibenden Raum einnimmt, wodurch ein Winkelmoment des Sonnenstrahlungsdrucks erzeugt wird, und dies ist gelungen, das zu halten Satelliten, die sich jahrelang mit einer Geschwindigkeit von mehreren Umdrehungen pro Minute drehen. Anscheinend haben sie dieses Design auch in der Vergangenheit verwendet. Obwohl sich das Prinzip von einem Radiometer unterscheidet, ist das Ergebnis das gleiche – Spinnen!

Die Verwendung zum Ändern der Umlaufbahn klingt nicht einmal annähernd praktisch.

Ein Crookes-Radiometer war eines meiner denkwürdigsten Geschenke als kleines Kind. Die Tatsache, dass das Sonnenlicht die schwarze Seite mehr als die weiße Seite jedes Flügels drückte, bewies, dass Atome existieren, oder zumindest sagte dies die Rückseite der Verpackung. Ich sah Atome! Veränderte mein Leben.

Wie @BobJacobsen betont , benötigen diese Typen Niederdruckgas, um zu funktionieren, und sie benötigen, dass das Gas in Bezug auf das Raumfahrzeug ziemlich in Ruhe ist, da sonst die aerodynamischen Kräfte dominieren und die Konfiguration aufhören würde, wenn Drehmomente aufgrund des Widerstands an jeder Schaufel auftreten ausgewogen.

Dies würde also nicht in einer Atmosphäre mit geringer Dichte eines Planeten funktionieren, den das Raumschiff umkreist, es müsste in einem Gas mit niedrigem Druck ungefähr in Ruhe sein, und die Kräfte müssten niedriger sein als der Druck des Sonnenwinds.

Ich glaube nicht, dass es irgendwo im Weltraum eine Situation gibt, in der das funktionieren würde.

Auf der Oberfläche eines Körpers mit einer Atmosphäre mit sehr niedrigem Druck, wie z. B. einem großen Asteroiden oder einem kleinen Planeten oder Mond, könnte die Demonstration jedoch funktionieren. Aber die Frage bezieht sich auf ein Raumfahrzeug oder einen Antrieb, also trifft dies nicht zu.

Leicht verwandt:

• Crookes Radiometer am Ende eines Teleskops in einer alten Filmszene, etwas über einen Kometen?
• Hatten alte Crookes-Radiometer jemals ein Paar Anschlüsse?

unten: Bild (GIF) eines Crookes-Radiometers, von hier .