فناوری بادبان خورشیدی


 

 تنظیم : مهسی عالیشاه

 

مقدمه

    در دهه ی 1970، دانشمندان ناسا پیشنهاد کردند که کاوشگری با یک صفحه ی خورشیدی- که به وسیله ی انرژی نور خورشید رانش می کند- به سوی ستاره ی دنباله دار هالی فرستاده شود. اگرچه این پیشنهاد به خاطر پرخطر بودن و آزمایش نشدن رد شد ولی

انگاره ی « فضاپیمای دارای پیشرانش بادبان خورشیدی » هنوز پا برجاست. در سال های گذشته، آزمایش های پرشماری بر روی مواد مورد نیاز در بادبان های خورشیدی انجام شده است و پیشرفت های زیادی رخ داده، ولی تا قرن 21 حتی یک بادبان خورشیدی طراحی و ساخته نشده بود چه برسد به آن که با کامیابی پرتاب شود و به عنوان یک فضاپیما در فضا رانش کرده باشد!

در ماه ژوئن سال2005 میلادی، انجمن نجوم آمریکا در یک همکاری با سازمان های گوناگون فضایی روسی فضاپیمای کاسموس-1 را به مدار پرتاب کرد. این فضاپیما از بادبان خورشیدی بهره می برد.

اما یک بادبان خورشیدی چیست؟ چگونه می توان انرژی خورشیدی را برای راندن یک فضاپیما به کار گرفت؟ پاسخ این پرسش ها را در بخش های واپسین همین مقاله خواهید یافت.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

یک بادبان خورشیدی چیست؟

شاید تصور کنید بادبان خورشیدی همانند یک کشتی بادبانی قدیمی بزرگ، کشتی های تندرو و یا قایق های موتوری پیشرفته است. اما ساختار و کارکرد پایه ای بادبان های خورشیدی با کشتی های بادبانی کاملاً متفاوت است. بادبان خورشیدی، یک آیینه ی بسیار بزرگ است که نور خورشید را بازتاب می کند. اگر فوتون های

نور خورشید را مانند توپی هایی فرض کنیم که

به سطح بادبان برخورد می کنند، طبیعتاً با

بازتابش نور خورشید از روی بادبان، توپ ها

هم بازتاب می یابند و بادبان را با انتقال اندازه ی

حرکت خود، به جلو می رانند. می دانید چرا؟

چون در نور خورشید فوتون های بسیاری وجود

دارد و این فوتون ها دائماً به بادبان برخورد می کنند، این برخورد دائمی یک فشار(نیرو در واحد سطح بادبان) پایا روی بادبان اعمال می کند. این فشار یک شتاب پایا ( یا یک نیروی پیش ران ثابت) را برای فضاپیما فراهم خواهد کرد. گرچه نیروی پیش ران حاصل از یک بادبان خورشیدی از نیروی پیشرانش های شیمیایی متداول – مانند موتور شاتل فضایی – کم تر است ولی « فضاپیمای بادبان خورشیدی» به صورت پایا شتاب خواهد گرفت و با گذشت زمان سرعت بسیار بیشتری کسب خواهد کرد. این درست مانند مقایسه کردن اثر یک « تندباد» و

« نسیم پایدار، ملایم و آهسته» روی یک قاصدک معلق در هواست. گرچه تندباد - که می توان آن را همان موتور شیمیایی دانست - نخست نیروی بسیار بزرگ تری را به قاصدک وارد می کند ولی به سرعت این نیرو از بین می رود و قاصدک دیگر به جلو حرکت نخواهد کرد. در مقابل نسیم ملایم و پایدار( پیشرانش بادبان خورشیدی) قاصدک را در مدت زمان بیش تری به جلو خواهد راند و قاصدک مسافت بیش تری را طی خواهد کرد. بادبان های خورشیدی توانایی رانش در منظومه ی شمسی و حتی ستاره های دوردست تر، بدون نیاز به « پیشرانش های شیمیایی موشکی بزرگ » را فراهم می آورند و در ساختار آن ها به مقادیر بسیار زیاد پیشرانه (سوخت و اکسید کننده ) نیازی نخواهد بود.

 

 

یک بادبان خورشیدی از چه ساخته می شود؟

برای آنکه بادبان خورشیدی در یک فضاپیما، کارایی لازم را داشته باشد، داشتن ویژگی های زیر ضروری است:

*مساحت بزرگ؛ یعنی تا حد امکان باید نور خورشید بیش تری گردآوری شود پس هرچه سطح آن بزرگ تر باشد نیروی بیش تری از نور خورشید گردآوری می شود.

*سبک وزن؛ بادبان باید نازک باشد و جرم کمینه داشته باشد، چون هرچه جرم بیش تر باشد،

                                            شتاب کم تر خواهد بود.

                                            *بادوام و مقاوم در برابر دما؛ یک بادبان خورشیدی باید

                                             در برابر تغییرات دما، ذرات باردار و ریزشهاب سنگ -                                                                

                                             های فضایی مقاوم باشد. برای دست یابی به این ویژگی ها

                                              بادبان های خورشیدی زیادی از پلاستیک های نازک

                                              بادوام مانند کاپتون(نوعی پلاستیک عایق حرارتی با پوشش طلایی در فضاپیما) یا میلار با روکش های فلزی ساخته شده اند. برای نمونه، بادبان خورشیدی کاسموس-1که از میلار با روکش آلومینیومی ساخته شده است دارای ضخامت 1/5 میکرون و مساحت 596 مترمربع است.

بادبان های خورشیدی عمدتاً بر سه گونه اند: 

*بادبان چهارگوش که نیازمند تیر برای پشتیبانی و نگه داشتن بادبان است.

*بادبان هلیوجایرو که مانند یک بالگرد دارای تیغه است؛ در این حالت بادبان باید برای پایداری چرخش کند.

*بادبان گرد که در آن با رانش، مرکز جرم نسبت به مرکز فشار کنترل می شود.

کاسموس-1دارای یک بادبان خورشیدی با طرحی مابین بادبان هلیوجایرو و بادبان چهارگوش است. این بادبان به هشت تیغه ی سه گوش تقسیم شده است. بادبان فضاپیمای کاسموس-1

دارای تیرهای قابل تورم است و اجباری در چرخش همیشگی ندارند.

سفر فضایی با به کارگیری نور خورشید(!)

رانش یک فضاپیمای بادبان خورشیدی نیازمند متعادل کردن دو عامل است: یکی« راستای بادبان خورشیدی نسبت به خورشید» و دیگری « سرعت چرخشی فضاپیما». با تغییر

زاویه ی بادبان نسبت به خورشید، راستای نیروی اعمال شده از نور خورشید تغییر خواهد کرد. وقتی که فضاپیما در مدار زمین یا خورشید است در یک مسیر دایره ای یا بیضوی با یک مسافت و سرعت معین حرکت می کند. برای رفتن به مدار بالاتر و حرکت به سمت دورتری نسبت به مکان رهایی، بادبان خورشیدی نسبت به خورشید زاویه می گیرد به

گونه ای که فشار حاصل از نور خورشید در راستای مدار مورد نظر باشد. نیرو، فضاپیما را شتاب خواهد داد، سرعت گردشی آن را افزایش داده، فضاپیما را به مدار بالاتر خواهد برد. در مقابل اگر بخواهیم فضاپیما را به مدارپایین تر ببریم بادبان خورشیدی نسبت به خورشید زاویه می گیرد به صورتی که فشار حاصل از نور خورشید در خلاف راستای حرکت مداری باشد. نیروی حاصل از این فشار، شتاب فضاپیما را کم می کند، سرعت گردشی آن کم تر می- شود و فضاپیما به مدار پایین تر منتقل خواهد شد.

« فشار نور خورشید» با کاهش مربع فاصله از خورشید کاهش می یابد. بنابراین با نزدیک- شدن به خورشید، نور آن، فشار بیش تری به فضاپیما اعمال می کند. ممکن است بادبان های خورشیدی آینده با به کارگیری این ویژگی، نخست به مداری بیافتند که به خورشید نزدیک تر باشد و با فشار بیش تر و در نتیجه شتاب بیش تر مأموریت خود را، آغاز کنند.

طراحی فضاپیمای کاسموس-1

نخستین فضاپیمای بادبان خورشیدی، کاسموس-1، توسط

انجمن نجوم آمریکا، ساخته و آزمایش شده است. انجمن

نجوم یک سازمان خصوصی است که هدفش تقویت کردن

کاوشگری در منظومه ی شمسی است. انجمن نجوم با یک

سازمان روسی(مرکز فضایی بابکین)

برای ساخت، پرتاب و به کارانداختن

فضاپیما قرارداد بسته است. هزینه ی این

طرح حدود 4میلیون دلار بوده است.

فضاپیما به تنهایی 40کیلوگرم وزن دارد و شامل سامانه های زیر است:

*بادبان خورشیدی، ساخته شده از میلار با روکش آلومینیومی به ضخامت1/5 میکرون و مساحت حدود600مترمربع، دارای هشت تیغه ی سه گوش که هر کدام برابر 15متر دارند و این تیغه ها شامل لوله های پلاستیکی قابل تورم برای نگهداری بادبان هستند و با موتورهای الکتریکی می چرخند و نسبت به خورشید زاویه می گیرند.

*سامانه ای برای به کارانداختن بادبان خورشیدی- یک سامانه ی گاز پرفشار که لوله ها را متورم می کند.

*سامانه ی توان الکتریکی که یک آرایه ی کوچک از سلول های خورشیدی است و همه ی نیروی الکتریکی لازم برای فضاپیما را فراهم می سازد.

*سامانه ی ناوبری برای یک فضاپیما سامانه ای ضروری است برای آن که همواره بدانیم، فضاپیما کجاست و خورشید در چه موقعیتی قرار دارد این سامانه حسگری برای یافتن موقعیت خورشید دارد و گیرنده ای «جی پی اِس» که موقعیت فضاپیما را آشکار می کند.

داده ها از حسگر خورشیدی و گیرنده ی«جی پی اِس» به طور مداوم بر روی رایانه های داخل فضاپیما نمایش داده می شوند. رایانه ی داخلی فضاپیما، موتورها را به کار می اندازد تا تیغه های بادبان را بچرخانند و در راستای خورشید قرار گیرند.

*سامانه های ارتباطات؛ برای ارتباط با کنترل گرهای پرواز از زمین، سامانه های رادیویی افزونه به کار گرفته می شوند، یک باند یو اِچ اِف 400مگاهرتزی و یک اِس باند 2210 مگاهرتزی.

*رایانه های داخلی فضاپیما که شامل دو ریزپردازنده ی 386 ای اِکس و یک برنامه ی نرم -افزاری است که وظایف هر کدام از ریزپردازنده ها را مقرر می کند. این سامانه بخش های دیگری هم دارد.

*ابزار های جانبی شامل دو دوربین تصویربرداری درونی فضاپیما (روسی و آمریکایی) برای ثبت مأموریت و شتاب سنج های داخلی برای اندازه گیری شتاب فضاپیما ناشی از فشار نور خورشید (شتاب غیرگرانشی).

مأموریت کاسموس-1، رسانگر پرتابی

برای بردن کاسموس-1به مدار زمین، فضاپیما روی یک موشک بالستیک قاره پیمای اصلاح شده ی روسی به نام وُلنا قرار می گیرد. این موشک از یک زیردریایی روسی پرتاب می شود. موشک بالستیک قاره پیمای وُلنای معمولی، نمی تواند نیروی پیشرانش کافی را برای رسیدن به مدار فراهم کند، ولی موشک به کار رفته برای کاسموس-1یک موتور موشکی اضافه دارد. پس از قرارگیری بادبان های خورشیدی در مدار، بادبان ها باز می شوند و به کار می افتند.

آینده ی بادبان های خورشیدی

امتیاز و ویژگی اصلی یک بادبان خورشیدی، توانایی آن برای سفر بین سیارات و سفر به ستاره ها بدون حمل سوخت است. یک فضاپیمای بادبان خورشیدی تنها به یک ماهواره بر یا رسانگر پرتابی متداول نیاز دارد تا به مدار برسد. در مدار، بادبان خورشیدی به کارمی افتد و فضاپیما به راه خود ادامه می دهد. این فضاپیماها برخلاف پیشرانش های شیمیایی متداول- که در ابتدا شتاب بیش تری را می توانند طی کنند؛ چراکه بالاخره سوخت موتورهای شیمیایی پس از مدت زمان معینی پایان می یابد ولی نور خورشید بی پایان است! بنابراین اگر نیاز باشد که بار سنگینی بدون داشتن عجله به مریخ برسد، یک فضاپیمای بادبان خورشیدی بسیار مناسب است؛ اما برای یک سفر سریع به مریخ یک فضاپیمای بادبان خورشیدی هیچ برتری نسبت به فضاپیماهای عادی نخواهد داشت. برای رسیدن به مسافت های بسیار دورتر، یک فضاپیمای بادبان خورشیدی بسیار کاراتر از فضاپیماهای معمولی است. سرانجام با به کارگیری فناوری بادبان خورشیدی سفرهای بین ستاره ای با هزینه های کمتر انجام خواهد شد.

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

 

 

منبع:

 

ماهنامه علمی، خبری، تحلیلی صنایع هوافضا (مقاله ای برگرفته از سایت های هوافضایی)

/ 0 نظر / 115 بازدید