Artykuł został pierwotnie opublikowany w Supercluster, witrynie poświęconej opowiadaniu największych historii ludzkości w kosmosie.
Carl Sagan marzył o żeglowaniu po Układzie Słonecznym na żaglach wypychanych przez podmuchy słońca, wypływających z naszej gwiazdy macierzystej.
Teraz Towarzystwo Planetarne, kierowane przez prezesa Billa Nye'a „Science Guy”, ma na celu pomóc w urzeczywistnieniu tego marzenia dzięki satelicie nie większemu niż pudełko na buty. Te „żagle słoneczne”, które były testowane tylko kilka razy, mogą pewnego dnia przenieść statek kosmiczny na inne planety, a może nawet inne układy gwiezdne.
Kolejna faza żeglugi słonecznej rozpoczęła się 24 czerwca, kiedy rakieta SpaceX Falcon Heavy zdjęła deskę startową z centrum kosmicznego Kennedy Space Center na Florydzie. Wewnątrz masywnego stożka nosa, pośród dwóch tuzinów innych satelitów, znajdował się mały statek kosmiczny: urządzenie wielkości bochenka chleba zaprojektowane do napędzania się przez żagle gossamerowe, które wykorzystują siłę światła słonecznego.
Statek, nazwany LightSail 2, może być początkiem nowej ery lotów kosmicznych - takiej, w której statek kosmiczny rezygnuje z silników rakietowych, na których polegały od dziesięcioleci, i elegancko żegluje na wietrze słonecznym. Około siedem dni po uruchomieniu LightSail 2 wyskoczy z pojemnika, wysunie cztery 13-metrowe wysięgniki i rozłoży cztery lustrzane arkusze Mylaru, które razem tworzą 340-metrowy żagiel w kształcie latawca. Następna część to czysta kosmiczna magia.
Według Planetary Society, LightSail 2 będzie pierwszym statkiem, który będzie poruszał się ściśle przy świetle podczas przebywania na orbicie Ziemi. LightSail będzie halsował jak żaglówka, aby podnieść wysokość, dzięki czemu będzie to pierwszy statek kosmiczny, który wypłynie na wyższą orbitę wokół naszej planety. To osiągnięcie niebiańskiej nawigacji może być kolejnym krokiem w kierunku marzenia Carla Sagana o podróży przez kosmos na odblaskowych żaglach napędzanych wiązkami światła.
**********
Jeśli wyciągasz ręce do słońca, co czujesz? Ciepło. Ale pośród ciepła kryje się presja, więc w ciągu minuty nigdy tego nie zauważysz. Samo światło wywiera siłę, jak wietrzna bryza, ale jest tak subtelne, że nigdy go nie zauważysz. Na Ziemi jest to mniej więcej odpowiednik spinacza biurowego spoczywającego w twoich rękach.
Ale w próżni kosmicznej nawet niewielka presja może mieć duży wpływ, ponieważ popycha cały czas, godzinę po godzinie, dzień po dniu. W przeciwieństwie do paliwa rakietowego, światło słoneczne jest bezpłatne i praktycznie nieograniczone. Jeśli potrafimy wykorzystać tę moc, możemy jej użyć; wszystko czego potrzebujemy to żagle. Niczym marynarze starych, przyszłych statków kosmicznych (i podróżnicy kosmiczni) mogliby się za pomocą słońca przenieść na rozległą przestrzeń kosmiczną - a przynajmniej tak to sobie wyobrażał Sagan.
Schemat promu kosmicznego wypuszczającego lekki żagiel z ładowni. (JPL) Sagan miał wielką wizję przyszłości eksploracji kosmosu, wyobrażając sobie, że astro-żeglarze wezmą udział w międzygalaktycznych regatach, ścigając się swoimi statkami kosmicznymi przez wszechświat, wykorzystując moc światła gwiazd. Ale nie był pierwszym, który wyobraził sobie ludzkość żeglującą światłem.
Cztery wieki temu na niebie przeleciała kometa, przyciągając uwagę niemieckiego astronoma Johannesa Keplera. Zauważył, że ogon komety rozchodzi się za nim. Światło słoneczne, pomyślał, musi ogrzewać kometę i uwolnić materiał z jej powierzchni. Ta sprytna obserwacja skłoniła Keplera do myślenia, że światło słoneczne może być użyteczną formą napędu.
„Zapewnijcie statki lub żagle dostosowane do niebiańskiej bryzy, a będą tacy, którzy odważą się nawet tej pustki”, napisał do Galileusza w 1608 roku.
Kepler żył w renesansie naukowym, w czasach, gdy ludzkość zaczęła realizować swoje miejsce w kosmosie. Ziemia nie była centrum Układu Słonecznego, ale w rzeczywistości jedną z wielu planet krążących wokół jednej z wielu gwiazd. Ponieważ statki - powszechna wówczas forma podróży - napędzane są wiatrem, wydaje się naturalne, że Kepler wyobraża sobie ludzi żeglujących w przestrzeni w taki sam sposób, jak marynarze żeglują po morzach.
Ale sny Keplera zajęłyby wieki.
W 1865 roku James Clerk Maxwell pokazał światu, że światło zawiera pakiety energii zwane fotonami, a fotony mają pęd, który można przenieść na inne obiekty. Gdyby foton zetknął się z obiektem takim jak błyszczący żagiel słoneczny, przekazałby część swojej energii i popchnął żagiel do przodu.
Różne wzory lekkich żagli. (Raquel Scoggin / Supercluster) Wraz z postępem w dziedzinie rakiet po II wojnie światowej i wraz z uruchomieniem Sputnika w 1957 r. Pomysł eksploracji kosmosu nagle zmienił się z science fiction w rzeczywistość, a żeglowanie po słonecznej po raz kolejny wydawało się kuszącą formą napędu.
Wkrótce po powstaniu NASA zaczęła planować szereg ambitnych misji kosmicznych, w tym sfinansować kilka badań nad żaglem słonecznym. W latach 70. opracowano plan spotkania z kometą - tą samą kometą, którą Kepler widział na niebie przed wiekami. Ten statek kosmiczny byłby wyposażony w żagiel słoneczny, który wykorzystywałby energię słoneczną do podróży. Niestety plan został odrzucony, zanim zdążył dotrzeć do wyrzutni, ale idea żeglugi słonecznej przetrwała.
Lou Freedman, inżynier NASA, który pracował nad nieistniejącą już misją, wciąż był przekonany, że żegluga słoneczna jest realną formą napędu. On (wraz z Carlem Saganem i Brucem Murrayem, byłym szefem Jet Propulsion Laboratory NASA) współzałożycielem Planetary Society w 1980 r., Aby w dużej mierze przekształcić żeglugę słoneczną w rzeczywistość.
„Ogólnie rzecz biorąc, żeglarstwo słoneczne jest wplecione w DNA Towarzystwa Planetarnego, odkąd jeszcze powstaliśmy” - mówi Supercluster Jennifer Vaughn, dyrektor operacyjny towarzystwa. „Wszyscy trzej nasi założyciele mieli rękę na początkowych etapach żeglugi słonecznej.”
**********
Ustalenie, jak zbudować ogromny, ultralekki żagiel słoneczny, a następnie niedrogo wystrzelić go w kosmos, okazałoby się dużym wyzwaniem. Ale grupa wytrwała, a pierwsza wyprawa społeczeństwa na żeglugę słoneczną wreszcie trafiła na lądowisko w 2005 roku w postaci statku kosmicznego o nazwie Kosmos 1. Niestety niedoszły satelita nie zdążył na orbitę, rozbijając się w pobliżu Rosji Morze Barentsa. Minie jeszcze dziesięć lat, zanim Towarzystwo Planetarne osiągnie swój pierwszy sukces w żegludze słonecznej.
Schemat żagla słonecznego. (JPL) Kierownicy misji wrócili do deski kreślarskiej i postanowili pomyśleć mniejszy przy następnej próbie. Cubesats - które są mniej więcej wielkości bochenka chleba - pojawiły się na scenie lotów kosmicznych, zapewniając tańszą alternatywę dla tradycyjnych, nieporęcznych satelitów.
Według Billa Nye, pojawienie się CubeSats faktycznie doprowadziło do obecnego projektu kwadratowego żagla. „Kwadratowy żagiel okazuje się być całkiem dobrym punktem wyjścia i całkiem dobrym projektem”, powiedział Nye dla Supercluster.
Powstały statek, nazwany LightSail 1, był pomniejszoną wersją Cosmos 1. Ten niewielki satelita wielkości pudełka na buty wystartował w 2015 roku, podróżując rakietą Atlas V i lecąc na orbitę obok tajnego samolotu kosmicznego X-37B Air Force .
Po wejściu na orbitę LightSail 1 udowodnił, że może z powodzeniem rozmieścić żagiel w próżni kosmicznej. Ale mały satelita napotkał mnóstwo problemów, w tym usterki oprogramowania, straty sygnału i problemy z baterią w trakcie swojej misji. Po burzliwym czasie na orbicie nisko-ziemskiej maleńka jednostka wypuściła swój imiennik: cztery błyszczące żagle mylarowe, co dowodzi, że można zmieścić pełny lekki żagiel w małej paczce.
Pomimo niepowodzeń, jako demonstracja technologii, LightSail 1 okazał się sukcesem. Aby to uczcić, nadano jej wyjątkowe selfie. Ale ludzie patrzyli w górę, próbując dostrzec statek, który wzbił się nad Ziemię. Nye był nawet w stanie dostrzec migoczącego w nocy maleńkiego satelitę przelatującego nad zanieczyszczonym światłem niebem Nowego Jorku.
Mając bardzo niewiele cząstek, aby spowolnić lekki żagiel, może on z czasem przyspieszyć statek kosmiczny do bardzo dużych prędkości. (Raquel Scoggin / Supercluster) Dotarcie do tego punktu było ogromnym osiągnięciem Towarzystwa Planetarnego, organizacji non-profit utworzonej, aby pomóc w rozwoju nauki i eksploracji kosmosu. „Kosmos wydobywa z nas to, co najlepsze” - mówi Bill Nye. „Odwołuje się do wszystkich ludzi i wszystkich narodowości”.
Ponad 40 000 członków Planetary Society poparło tę misję (i rozwój żeglugi słonecznej), przekazując darowiznę od 5 do ponad 1 miliona dolarów na sfinansowanie organizacji.
„Jest niezwykle rzadkie, że można wziąć udział w pierwszych etapach nowej technologii napędu statku kosmicznego”, mówi Bruce Betts, kierownik misji LightSail. „Nie ma ich tak wielu. Będąc w początkowej fazie, pierwszych etapach żeglugi słonecznej, jest sporym zaszczytem. ”
**********
Przez lata, gdy Towarzystwo Planetarne budowało swoje żaglowce, inne na całym świecie również wypłynęły.
Misja testowa CubeSail z 2015 roku, zbudowana przez Surrey Space Centre w Wielkiej Brytanii, została uruchomiona, ale nie została poprawnie wdrożona. Trzy inne małe misje żaglowe - NASA NanoSail-D, kanadyjski CanX-7 i Surrey's InflateSail - odniosły pewien sukces, ale podobnie jak LightSail 1, ich misje ograniczały się do orbity nisko Ziemi.
Schemat żagla słonecznego. (JPL) Japonia osiągnęła jak dotąd największy sukces w żegludze słonecznej, ponieważ jest to międzyplanetarny statek latawiec Przyspieszony przez promieniowanie słońca (IKAROS) wystrzelony na orbitę wokół Słońca w 2010 roku. W kosmosie otworzył się na szerokość 46 stóp kwadratowy żagiel i po raz pierwszy w historii zaczął sterować i zmieniać prędkość dzięki sile słońca.
Statek kosmiczny miał również ogniwa słoneczne osadzone w żaglu w kształcie latawca, aby wytwarzać energię elektryczną. Ogniwa nie miały wytwarzać dużej mocy podczas lotu, ale zamiast tego służyły jako stanowisko testowe dla przyszłych silników jonowych.
IKAROS spędził następne trzy lata, mierząc swoje przyspieszenie z powodu lekkiego ciśnienia. Przetestowano również różne sposoby kontrolowania jego ruchu za pomocą ciekłych kryształów (przypominających wyświetlacz elektroniczny LCD) osadzonych w żaglu, które mogłyby regulować współczynnik odbicia statku i zmieniać jego prędkość. Energia elektryczna przepływająca przez panele zwiększała współczynnik odbicia, umożliwiając statkowi kosmicznemu przyspieszenie do przodu, a wyłączenie przepływu sprawiło, że ciśnienie światła słonecznego było bardziej rozproszone.
Japońscy urzędnicy kosmiczni twierdzą, że IKAROS był w stanie dostosować zarówno swój kurs, jak i orientację przed planowanym zakończeniem misji w 2015 roku. Kontakt z IKAROS został utracony, ale kolejne śledzenie pokazuje, że żagiel słoneczny nadal krąży wokół Słońca między Ziemią a Wenus, a kształt jej orbity nadal zmienia się w wyniku zmian ciśnienia światła.
Ale wraz z sukcesami dane IKAROS pokazują, że przed nami jeszcze pełny potencjał żeglugi słonecznej. Planetary Society ma nadzieję, że jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, LightSail 2 pomoże przekształcić żagle słoneczne w niezawodną, tanią, bezolejową metodę latania w przestrzeni kosmicznej.
Stamtąd możliwości są niemal nieograniczone. Za pomocą lekkiego żagla statek kosmiczny mógł udać się na Księżyc, na asteroidy, na Jowisz - wszędzie tam, gdzie wieje wiatr światła, w ogóle nie zużywając paliwa.
