Wie realistisch ist das 1 kg/km² Sonnensegel in "Death's End"?

Ein Sonnensegel mit einer Flächendichte von$1~\mathrm{kg}/\mathrm{km}^2 = 1~\mathrm{mg}/\mathrm{m}^2 =0.001~\mathrm{g}/\mathrm{m}^2$ist nach bekannter Materialwissenschaft unmöglich , da Graphen eine Flächendichte von hat$0.77~\mathrm{mg}/\mathrm{m}^2$.

Als einzelne Atomschicht eines leichten Atoms ist Graphen die absolute Untergrenze für die Flächendichte von so ziemlich allem, was konstruiert werden kann, einschließlich Sonnensegeln. Eine einzelne Atomschicht wie Graphen wird wahrscheinlich nicht gut als Sonnensegel funktionieren. Hier sind die Probleme:

1. Graphen ist nahezu transparent: ( nur 2 % des sichtbaren Lichts werden durch eine einzelne Schicht blockiert)
2. Eine einzelne Graphenschicht würde durch Strahlung im Weltraum schnell abgebaut werden
3. Große Graphenschichten würden ohne Unterstützung in sich zusammenfallen . Derzeit existiert keine Technologie zum Bau solcher Stützen, und sie sind für diese Flächendichte möglicherweise nicht möglich.

Es gibt einen ausführlichen zusammenfassenden Bericht über mögliche Verbesserungen von Sonnensegelmaterialien:

"Ultradünne Sonnensegel für interstellare Reisen - Abschlussbericht Phase I"
, Dezember 1999, Dean Spieth, Dr. Robert Zubrin

Beim Lesen dieses Berichts muss man bedenken, dass sie nur nach den Eigenschaften des Segels selbst suchen, ohne strukturelle Elemente oder Nutzlast zu berücksichtigen. Trotzdem ist es eine schöne Zusammenfassung, wie die aktuelle State-of-the-Art-Mylar-Folie verbessert werden könnte.

Sie fassen wie folgt zusammen:

• 25-fache Verbesserung durch Entfernen des Kunststoffsubstrats, wobei eine Al-Schicht von ~100 nm zurückbleibt,
• 300-fache Verbesserung durch Reduzierung der Aluminiumsegeldicke auf ~4 bis 5 nm,
• 500- bis 5.000-fache Verbesserung durch Perforieren des Aluminiumsegels, kurzfristig möglich, und
• 10.000 -100.000-fach durch Dotierung von Kohlenstoffnanoröhren bis weit ins nächste Jahrhundert hinein.

In diesem Sinne besteht der erste Schritt darin, das Kunststoffträgermaterial loszuwerden, das den größten Teil von Mylar ausmacht. Offensichtlich ist eine 100 nm dünne Aluminiumschicht selbst nicht stabil genug, um transportiert und eingesetzt zu werden, daher wird vorgeschlagen, ein Kunststoffmaterial zu verwenden, das nach dem Einsatz abgerissen wird, z. B. durch UV-Strahlung zerstört wird. Ein Teil des eingesparten Gewichts muss in Form von Versteifungsmaterialien wieder hinzugefügt werden – aber aktuelle Materialien auf Kohlefaserbasis sollten in der Lage sein, die Arbeit mit weniger Gewicht zu erledigen.

Zweiter Schritt ist die Reduzierung der Aluminiumdicke - Sie fanden eine 5 nm dicke "Folie" als das Optimum in Bezug auf die Beschleunigung pro Masse. An diesem Punkt wird es zu etwa 50 % transparent, aber die reduzierte Masse gleicht das reduzierte Reflexionsvermögen mehr als aus. Auch hier muss zusätzliches Material hinzugefügt werden, um diese Folie stabil zu halten.

Der dritte und radikale Schritt ist, gar keine Folie zu verwenden, sondern ein sehr spärliches Raster. Denken Sie daran, dass Strukturen weit unterhalb der Lichtwellenlänge nicht aufgelöst werden können und ein Gitter aus 5-nm-Drähten mit einem Abstand von 200 nm fast die gleichen optischen Eigenschaften wie eine feste Folie hat, bei 1 % des Gewichts. Die Herstellung eines solchen Materials im kleinen Maßstab sollte heute gut möglich sein, aber die Herstellung eines kilometergroßen Segels, das im Weltraum eingesetzt werden kann, wird eine große Herausforderung sein.

Ob diese Materialien zu einem Segel mit dem angegebenen Gewicht verarbeitet werden können, bleibt offen - aber zumindest der Folienanteil könnte mit heute verfügbarer Technik in kleinem Maßstab im Bereich von 10 mg/m² liegen.

Sie alle müssen sich daran erinnern, dass NIAC, zumindest zum Zeitpunkt des Berichts, keine Verträge finanzierte, die einfach zu erledigen oder einfach nur eine technische Herausforderung darstellten – sie wollten weitreichende Konzepte, die heute nicht realisierbar sind und dennoch keine bekannten Gesetze verletzen der Physik.

Ja, wir haben uns die strukturmechanischen Eigenschaften von Materialien im Vergleich zur Temperatur sowie die Masse der Nutzlast im Bericht angesehen. Bevor ich um das Jahr 2000 zu dem Team kam, hatte Cindy oder Bob die brillante Idee, Kohlenstoff-Nanogitter in Betracht zu ziehen, die in kleinem Maßstab hergestellt werden können und die normalerweise extrem hohe mechanische Eigenschaften mithilfe von Nanotechnologie oder galvanogeformten Metallen erhalten. Kohlenstoff und Metalle sind leitfähig, daher ist ein SGEMP-Effekt unwahrscheinlich; Ebenso haben kosmische Strahlen und geladene Teilchen wenig Einfluss auf leitfähige Materialien, da sie bereits freie Elektronen haben. Und Sie würden aufgrund der atomaren Sauerstofferosion sowie der zunehmenden Probleme mit orbitalen Trümmern keine Kohlenstoffstruktur in LEO zusammenbauen, aber sobald Sie sich über LEO (z. B. MEO oder GEO) befinden, ist dies kein Problem (und dennoch eine Herausforderung bei der Herstellung). Ein Netz behält seine Form auch nach einer großen Anzahl von Mikrometeroid-Treffern. Das große Problem bei einem großen Sonnensegel, wenn es in einer hohen Umlaufbahn montiert werden kann, ist, wie es gesteuert wird, sobald es den Einfluss des Sonnenlichts verlässt. Es könnte möglich sein, es mit einem kleinen Plasmamotor oder Wärme von einem kleinen RTG zu steuern, da es scheint, dass RTGs eine leichte Flugbahnabweichung des Voyager-Raumfahrzeugs beeinflussten.

(zu Ihrer Information, zu einem anderen Thema, es würde mehrere "Sonnensegel" von der Größe Alaskas in MEO erfordern, um die Sonne vorübergehend für etwa eine halbe Umlaufbahn für einige Minuten über einer beliebigen Landmasse zu blockieren und dadurch die globale Erwärmung auszugleichen, aber Es ist wahrscheinlich unpraktisch, etwas in diesem großen Maßstab zu bauen, geschweige denn es im Orbit zu halten.) - Dean Spieth, pensioniert von Ball Aerospace