Wäre der Yarkovsky-Effekt jemals schneller als ein Sonnensegel von einer Umlaufbahn von 1 AE zur Sonne?

NEIN.

Lassen Sie mich zunächst das „perfekte solarbetriebene photonische Triebwerk“ vorstellen, das die folgenden zwei Dinge tut:

1. Sammelt Photonen von der Sonne.
2. Sendet diese Photonen in eine beliebige Richtung.

Ein Sonnensegel ist fast ein perfektes photonisches Triebwerk. Es kann eindeutig 2), da der reflektierte Strahl in jede Richtung gestrahlt werden kann. Leider kann es 1) nicht perfekt machen, da es, um 2) zu erreichen, von der Sonne abgewinkelt sein muss. Die Querschnittsfläche skaliert um$\cos(\theta)$.

Betrachten wir nun für das Yarkovsky-Raumschiff eine idealere Konfiguration als eine sich ständig drehende Oberfläche. Schließlich verbringt ein solches Raumfahrzeug viel Zeit damit, Wärme in suboptimalen Winkeln in den Weltraum abzustrahlen. Wenn wir stattdessen zu jedem Zeitpunkt die totale Kontrolle über die Ausrichtung haben und immer noch kein Sonnensegel schlagen können, dann sollte klar sein, dass der notwendigerweise ineffizientere Yarkovsky-Effekt noch schlimmer wäre.

Bedingung: Ein solch perfektes Yarkovsky-Raumschiff muss eine Sammelfläche haben, die der Sonne zugewandt ist.

Beweis: Das Abwinkeln der Oberfläche verringert die Querschnittsfläche, was nur Sinn machen würde, wenn die Oberfläche sich verdoppeln müsste, um das einzige andere zu tun, was ein photonischer Triebwerk tut, nämlich Photonen auszusenden. Aber die Wärmestrahlung erfolgt in einer diffusen Hemisphäre , sodass eine abgewinkelte Oberfläche trivialerweise weniger effizient wäre als ein Sonnensegel, das in die gleiche Richtung abgewinkelt ist.

Zwischenspiel: Der Impuls einer diffusen Hemisphäre aus Photonen ist genau halb so groß wie der Impuls derselben Photonen, die in die gleiche Richtung gehen.

Durch perfekte Absorption und Emission mit halber Effizienz kann das Raumfahrzeug also höchstens 75% effizient in Bezug auf Impuls sein .

An diesem Punkt absorbiert unser hochgradig idealisiertes Yarkovsky-Raumschiff eine Impulseinheit vollständig radial zur Sonne und kann danach eine halbe Impulseinheit in einer beliebigen Richtung gewinnen. Trigonometrisch gesehen kann es daher nicht mehr als 30 Grad vom Zenit weg stoßen.

Im Vergleich dazu ist ein Sonnensegel sehr gut darin, bis zu 30 Grad vom Zenit wegzuschieben. An diesem Punkt wird die Querschnittsfläche nur auf reduziert$\cos(30°) \approx 0.866$. Dies ist immer noch höher als die theoretische Effizienz eines Yarkowsky-Raumfahrzeugs. Perfekte Reflektoren gibt es nicht, aber in der Praxis liegen sie bei über 90 %, also gewinnen Sonnensegel immer noch.

Und das ist noch bevor wir uns mit einigen schwerwiegenden thermodynamischen Mängeln unseres idealisierten Triebwerks befassen. So haben wir beispielsweise die Fläche der Emissionsfläche noch nicht betrachtet. Oder die Tatsache, dass es nicht heißer als die Absorptionsfläche sein kann. Oder die Tatsache, dass die Absorptionsfläche selbst Schwarzkörperstrahlung abstrahlt.

Dies setzt natürlich voraus, dass Masse/Fläche für gut reflektierende und absorbierende Materialien nicht wesentlich unterschiedlich sind. Da wir Reflektoren bis zu einer geringen Dicke herstellen können, bei der alle Materialien beginnen, transparent zu werden, haben Reflektoren, wenn überhaupt, einen materialwissenschaftlichen Vorteil.

Da Sie mehr daran interessiert zu sein scheinen, wie gut dies strukturell skaliert, erfährt ein Sonnensegel über die gesamte Fläche eine gleichmäßige Beschleunigung, während ein Yarkovsky-Raumschiff einen unterschiedlichen Strahlungsdruck erfährt, was eine gewisse strukturelle Integrität des Baumaterials erfordert. Beide erfordern beim Anbringen einer Nutzlast Stützstrukturen.