Warum müssen „relativistische Lichtsegel bauschen“?

Der Blogpost der University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science „ How to Design a Sail that Won’t Tear or Melt on an Interstellar Voyage“ enthält Links zu zwei neuen Nano Letters-Papieren:

Diese beschreiben einige wirklich detaillierte und gründliche Recherchen und sorgen für eine hervorragende Lektüre!

Die Zusammenfassung des wogenden Papiers beginnt:

Wir argumentieren, dass Lichtsegel, die durch Laser schnell auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden, stark gekrümmt sein müssen, um ihre mechanischen Spannungen zu reduzieren und Risse zu vermeiden.

Im Allgemeinen haben die Leute angenommen, dass Sonnensegel nominell flach sind, um den Photonenrückstoß zu maximieren.

Frage: Warum müssen „relativistische Lichtsegel bauschen“? Warum reduziert diese unerwartete und signifikante Krümmung, die sie vorschlagen, mechanische Belastungen und vermeidet Risse in diesen molekular dünnen Segeln, die intensiver Laserbeleuchtung und -beschleunigung ausgesetzt sind?

Antworten (1)

Die Reifenspannung ist proportional zum Strahlungsdruck, aber umgekehrt proportional zur Krümmung des Segels. Das Aufblähen des Segels erhöht die Krümmung und verringert die Spannung im Segelmaterial. Es muss einen interessanten Kompromiss zwischen Krümmung und Dicke geben, bei dem Segel mit mehr Wogen mehr Fläche haben, aber dünner gemacht werden können.

@uhoh Es basiert auf meinen eigenen Ansichten über nicht-relativistische Bierfässer. Ich muss zugeben, dass ich mir die Papiere nicht angesehen habe :-( Ich verstehe nicht, wie 'relativistisch' für etwas anderes relevant sein kann, als die Wellenlänge der Beleuchtung zu verschieben - aber es lässt den Titel auf jeden Fall spannender klingen!
Wikipedias Gleichung
σ θ = F T l
sieht ihrem Ausdruck ähnlich (erster vollständiger Absatz auf Seite 3)
σ C u R v e D = P S S T F
Wo P ist Druck, S S ist der Krümmungsradius und T F ist die Dicke des Films, aber ihre Referenz Nr. 44 ist ein Buch und ich habe das nicht zur Hand. Könnte dies das Analogon der Umfangsspannung für eine Kugelkappe sein?
Ah, siehe Gleichung S59 im Anhang und seine Referenz 25 Ja, kugelförmiger Druckbehälter.
@uhoh Ja, die Kugelformel erscheint im Wikipedia-Artikel, aber im Abschnitt "Beziehung zum Innendruck". Das wogende Papier ist ziemlich interessant. . . Jetzt schaue ich es mir endlich an :-)
Ja, die Ergänzung ist so gründlich, das sieht nach echter Liebe aus :-)
@ uhoh und Roger Wood Zusätzlich zu den Spannungen im Hauptteil des Segels müssen die Designer auch auf die Spannungen und Belastungen achten, an denen das Segel am Fahrzeug befestigt ist. Wogen (oder Loft) können auch dazu beitragen, Spannungskonzentrationsprobleme an Befestigungspunkten am Segelumfang zu reduzieren, was dazu beiträgt, die Gesamtmasse zu reduzieren.
@BradV vielleicht ein rotierendes Segel, um es stabil und ziemlich flach zu halten, ohne dass starre Elemente erforderlich sind? Fragen Sie sich, wie die Spannungen in einer rotierenden Festkörperscheibe aussehen?
Hier nur laut gedacht. Bei einem Zylinder oder einer Kugel ist der „Gasdruck“ immer vollkommen senkrecht zur Innenfläche. Bei einem Laser- oder Sonnensegel könnte die einfallende Photonenkraft sehr schräg zu gekrümmten Kanten eines stark aufgeblähten Segels sein. Über ein rotierendes Segel ... interessanter Gedanke. In der Vergangenheit habe ich mich über große rotierende Strukturen für die „Schwerkraft“ auf Raumschiffen der Generationen gewundert und versucht, die Wirkung der gyroskopischen Präzession auf Antrieb und Navigation zu verstehen. Ich habe mich immer über die Vor- und Nachteile von Rädern / Scheiben im Vergleich zu Fässern / Rohren im Vergleich zu Formen vom Typ "Ausleger" gewundert.
@BradV Wenn es perfekt reflektiert, ist der Photonendruck auch senkrecht zur Oberfläche (gleiche Einfalls- und Reflexionswinkel), aber der Druck geht als cos (theta). Es würde also zu den Rändern hin abfallen. Offenbar nimmt auch die Spannung in einer rotierenden Scheibe zum Rand hin ab. Es ist chaotisch, weil Sie wahrscheinlich einen Elastizitätsmodul annehmen müssen, aber es wäre interessant, dies numerisch zu tun. Dies zeigt einige Formeln: amesweb.info/StructuralAnalysisBeams/…
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