Maximale Geschwindigkeit, die durch Sonnensegel erreicht wird

tl;dr:

Können wir damit an die Lichtgeschwindigkeit herankommen?

Nein, zumindest nicht ganz einfach. Die Endgeschwindigkeit$v_{\infty}$beträgt nur etwa 0,2 % der Lichtgeschwindigkeit, wenn Sie bei 1 AE mit einem 10 Nanometer dicken Segel beginnen, und skaliert nur als umgekehrte Quadratwurzel der Entfernung zur Sonne, wo Sie mit der Beschleunigung beginnen (sowie der Segeldicke), also Sie würde schmelzen, ohne viel Nutzen daraus zu ziehen, wirklich nahe daran zu beginnen. Das Vorbeigehen an einem zweiten Stern hilft wenig, weil Sie so schnell daran vorbeigehen würden, dass Sie keinen großen zweiten Tritt bekommen würden.

Der Zusammenhang zwischen Impuls und Energie eines Photons ist$p = E/c$, Kraft ist$dp/dt$, und Beschleunigung ist$F/m$. Für ein reflektierendes Segel gibt es bis zu einem Faktor von 2 für eine perfekte Reflexion des senkrechten Einfalls, und die gesamte einfallende Leistung (Energie pro Zeiteinheit) wäre die Intensität$I$Sonnenlicht (Energie pro Flächeneinheit pro Zeiteinheit) mal Fläche$A$. So

Um dies zu testen, würde ein ein Quadratkilometer großes Segel aus einem futuristischen reflektierenden Material mit einer Dicke von 10 Nanometern ungefähr 10 kg wiegen. Bei 1 AE von der Sonne,$I$beträgt etwa 1361 W/m^2 (die Sonnenkonstante ), was eine Beschleunigung von 0,9 m/s^2 ergibt, was überraschend groß ist, bis Sie sich daran erinnern, dass Sie dabei ein Gigawatt Sonnenlicht umleiten.

Wenn Sie sich vor diesem futuristischen 10 nm dicken Spiegel sträuben, wird ein Drahtgitter im Subwellenlängenabstand im Bericht des NASA Institute for Advanced Concepts von 1999, Ultra-Thin Solar Sails for Interstellar Travel: Phase I Final Report , diskutiert, in dem Werte von 0,5 bis 4 m / s angegeben werden ^2 sind in Abbildung 7 dargestellt.

Um die asymptotische Endgeschwindigkeit zu erhalten, können wir das für alle Entfernungen zum Laufen bringen, indem wir auf 1 AU normalisieren:

und dann bis unendlich integrieren, aber leider kann ich mich nicht mehr erinnern, wie man Differentialgleichungen löst, also werde ich schummeln und das Ergebnis oben auf Seite 14 dieses Berichts verwenden:

das ist nur etwa 0,2 % der Lichtgeschwindigkeit, beginnend bei 1 AE, und skaliert nur als umgekehrte Quadratwurzel der Entfernung zur Sonne, wo Sie mit der Beschleunigung beginnen.

Tabelle 1 zeigt einige Missionen, die für ein ultraleichtes Sonnensegel durchgeführt werden können. Eine ultradünne Aluminiumfolie von nur wenigen Nanometern Dicke kann eine Wechselspannung von ~0,3 m/s2 erreichen, Pluto in ~100 Tagen erreichen und die Oortsche Wolke bei ~10.000 AE innerhalb eines Jahrhunderts erreichen. Im Gegensatz dazu würden aktuelle Antriebsmethoden über ein Jahrzehnt brauchen, um Pluto zu erreichen, und sind völlig unpraktisch, um den interstellaren Raum zu erreichen. Ein perforiertes Lichtsegel aus Aluminium könnte die Oortsche Wolke in einem halben Jahrhundert erreichen, wenn wir ac >0,5 m/s2 erreichen, und in 12 Jahren, wenn wir ac ~5 m/s2 erreichen können. Langfristig könnte sich ein Segel aus dotierten Kohlenstoffnanoröhren wahrscheinlich der Sonne innerhalb von 4 Sonnenradien nähern und bei einer Wechselstromgeschwindigkeit von 10 m/s2 in einem Jahrhundert α Centauri erreichen. Ein Segel aus dotierten Kohlenstoff-Nanostrukturen könnte unseren nächsten Stern in einigen Jahrzehnten erreichen, wenn ac >

Es zeigt sich also, dass das ultradünne Sonnensegel das Potenzial hat, die Aussichten für interstellare Reisen zu revolutionieren. Mit dieser Technologie könnten solche Missionen einzigartigerweise nicht nur durchführbar, sondern auch potenziell billig werden, da die gesamte Antriebskraft in Form von rohem Sonnenlicht bereitgestellt wird – es sind keine riesigen Laser oder andere Energiesysteme erforderlich.

Angenommen, Photonen treffen mit einer unveränderlichen Geschwindigkeit auf das Segel und entfernen Variablen wie Schwerkraft, Hindernisse und alles andere, was die Bewegung des Fahrzeugs behindern würde, dann ist es theoretisch möglich, sich der Lichtgeschwindigkeit zu nähern. Je schneller Sie jedoch fuhren, desto länger würde es dauern, das Fahrzeug erheblich zu beschleunigen. Dies bedeutet, dass es Tausende von Jahren, wenn nicht sogar noch länger dauern könnte, um tatsächlich die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Denk darüber so. Zwei Rennfahrer bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Auto 1 ist 20 Fuß vor Auto 2, aber Auto 1 bewegt sich langsamer als Auto 2 hinter ihm. Bei dieser Rate wird Auto 2 schließlich nach einer gewissen Zeit Auto 1 einholen. Aber wenn Auto 1 beschleunigt, dauert es länger, bis Auto 2 Auto 1 einholt. Auto 1 ist wie das Sonnensegel, während Auto 2 das Photon ist, das auf das Segel trifft. Zusamenfassend,