Diffraktive Sonnensegel, die in dieser konzeptionellen Illustration dargestellt sind, könnten Missionen zu schwer zugänglichen Orten ermöglichen, wie z. B. Umlaufbahnen über den Sonnenpolen. MacKenzi Martin/NASA
Der 36-jährige deutsche Astronom Johannes Kepler war einer von vielen, die beobachteten, wie sich ein Komet sanft über den Himmel bog. Das Jahr war 1607, und niemand wusste, dass ein Komet eine Umlaufzeit von 75 Jahren hatte.
Das Genie, das er war, fragte sich Kepler, ob Sonnenlicht erwärmte den Kometen - breitet seinen Schwanz zu einem breiten Streifen aus.
Er hatte keine Möglichkeit, seine Hypothese zu beweisen – aber es war eine korrekte Beobachtung. Die Art und Weise, wie die Sonnenstrahlen mit einem Himmelsobjekt interagierten, veranlasste Kepler zu der Annahme, dass ein Raumsegel Sonnenlicht genauso einfangen könnte wie ein Bootssegel den Wind.
Er verschwendete keine Zeit.
In einem 1608 Brief an Galileo Galilei, Kepler schrieb, dass die Menschen eines Tages die Technologie nutzen könnten, um nach den Sternen zu greifen :
„Stellen Sie Schiffe oder Segel zur Verfügung, die an die himmlischen Brisen angepasst sind, und es wird einige geben, die sogar dieser Leere trotzen werden.“
Diffraktives Lichtsegeln eingeben
Jahrhunderte später wurden Sonnensegel erfolgreich gebaut und von der NASA mit ihrer Raumsonde NanoSail-D, der Planetary Society mit ihrer Raumsonde LightSail 1 und der Japanese Aerospace Exploration Agency JAXA mit ihrer Raumsonde IKAROS gestartet.
Bestehende reflektierende Sonnensegeldesigns sind jedoch sehr groß und sehr dünn, begrenzt durch die Richtung des Sonnenlichts, was Kompromisse zwischen Leistung und Navigation erzwingt.
Nun würde diffraktives Lichtsegeln die Fähigkeiten von Sonnensegeln über das hinaus erweitern, was mit Missionen, die sich heute in der Entwicklung befinden, möglich ist. Diese innovative Idee wurde von der NASA für eine Phase-III-Studie im Rahmen des NASA Innovative Advanced Concepts NIAC Programm, nach a Pressemitteilung.
Wie helfen Sonnensegel einem Raumschiff?
Ein Raumschiff gewinnt den größten Teil seines Schwungs, wenn es von der Erde gestartet wird, und ändert dann die Richtung oder erhöht seine Geschwindigkeit mit chemischen Raketen, die Treibstoff verbrennen, der an Bord mitgeführt wird.
Er manövriert dann durch den Weltraum, indem er seine maximale Geschwindigkeit erreicht, oder verlässt sich auf die Schwerkraftunterstützung von anderen Planeten, um an sein Ziel zu gelangen.
Wenn ein Sonnensegel kommt ins Bild, das Raumschiff kann weiter beschleunigen, solange Licht auf es drückt. Dies würde das Raumschiff während seines gesamten Kurses beschleunigen und Geschwindigkeiten erreichen, die für chemische Raketen unmöglich zu erreichen wären.
In dem oben genannten Projekt, beugende Lichtsegel würde kleine Gitter verwenden, die in dünne Filme eingebettet sind, um eine Eigenschaft des Lichts namens Beugung auszunutzen, die bewirkt, dass sich Licht ausbreitet, wenn es durch eine enge Öffnung fällt.
Dies würde es dem Raumschiff ermöglichen, das Sonnenlicht effizienter zu nutzen, ohne die Manövrierfähigkeit zu beeinträchtigen.
Umwandlung von Weltraumtechnologie
„Da wir uns weiter in den Kosmos vorwagen als je zuvor, brauchen wir innovative, hochmoderne Technologien, um unsere Missionen voranzutreiben“, sagte NASA-Administrator Bill Nelson. „Das NASA Innovative Advanced Concepts-Programm hilft, visionäre Ideen freizusetzen –wie neuartige Sonnensegel – und bringen sie der Realität näher.“
Der neue Phase-III-Preis wird dem Forschungsteam über zwei Jahre 2 Millionen US-Dollar einbringen, um die Technologieentwicklung in Vorbereitung auf eine potenzielle zukünftige Demonstrationsmission fortzusetzen. Das Projekt wird geleitet von Amber Dubill des Laboratoriums für Angewandte Physik der Johns Hopkins University in Laurel, Maryland.
Die Machbarkeit des Konzepts wurde zuvor unter untersuchtNIACs Phase I und Phase II Auszeichnungen, geleitet von Dr. Grover Swartzlander vom Rochester Institute of Technology in New York, der weiterhin als Co-Forscher an dem Projekt beteiligt ist. Les Johnson, Leiter von zwei der bevorstehenden Sonnensegelmissionen der NASA im Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, ist ebenfalls Co-Ermittler.
Im Rahmen der früheren Auszeichnungen hatte das Team verschiedene Arten von diffraktiven Segelmaterialien entworfen, erstellt und getestet, Experimente durchgeführt und neue Navigations- und Steuerungsschemata für eine potenzielle diffraktive Lichtsegelmission entwickelt, die die Pole der Sonne umkreist.
Nah an der Sonne
In Phase III, der Segelmaterial wird optimiert und Bodentests werden zur Unterstützung der konzeptionellen Solarmission durchgeführt.
Herkömmlicher Antrieb von Raumfahrzeugen hat seine Grenzen, wenn es darum geht, Umlaufbahnen zu erreichen, die über den Nord- und Südpol der Sonne führen. Unterdessen könnten leichte diffraktive Lichtsegel leicht eine Konstellation von wissenschaftlichen Raumfahrzeugen in eine Umlaufbahn um die Pole der Sonne bringen und unsere Fähigkeiten zur Vorhersage des Weltraumwetters verbessern.
"Diffraktives Sonnensegeln ist eine moderne Interpretation der jahrzehntealten Vision von Lichtsegeln. Während diese Technologie eine Vielzahl von Missionsarchitekturen verbessern kann, ist sie bereit, den Bedarf der Heliophysik-Community an einzigartigen Sonnenbeobachtungsfähigkeiten stark zu beeinflussen", sagte Dubill.
NIAC-Projekte der Phase III stehen kurz davor, echte Projekte zu werden, was bedeutet, dass die Möglichkeit, dass sich ein Raumschiff mit Sonnensegeln bewegt, um die Sonne wie nie zuvor zu erkunden, um die Ecke ist.
„NIAC ermöglicht es uns, einige der kreativsten Technologiekonzepte in der Luft- und Raumfahrt zu fördern“, sagte Mike LaPointe, stellvertretender Programmleiter für das NIAC-Programm im NASA-Hauptquartier. „Unser Ziel ist es, das Mögliche zu ändern, und diffraktives Sonnensegeln verspricht dies zu tungenau das für eine Reihe aufregender neuer Missionsanwendungen."