Solsejl repræsenterer et af de mest elegante koncepter i rumudforskning: at bruge sollys selv til at drive rumfartøjet gennem kosmos uden brændstof. Men disse tynde, lette giganter står over for en stædig teknisk udfordring, der har plaget missioner siden deres start; holde kontrol, mens du kører på solvinden.
Solarssejl fungerer ved at fange fotoner fra solen, ligesom vind fylder et sejlskibs lærred. Disse ultratynde reflekterende ark kan spænde over snesevis af meter og vejer kun et par kg, hvilket tilbyder teoretisk ubegrænset fremdrift til dybe rummissioner. Imidlertid skaber deres enorme størrelse sammenlignet med deres masse et kontrolproblem.
De fleste rumfartøjer bruger spinning hjul kaldet reaktionshjul for at ændre deres orientering i rummet. Tænk på dem som gyroskoper, der kan vippe et rumfartøj i enhver retning. Men solsejl er så store og oplever så komplekse kræfter fra sollys, at disse reaktionshjul hurtigt bliver overvældede, snurrende hurtigere og hurtigere, indtil de når deres grænser og ikke længere kan fungere, en tilstand kaldet “mætning.”
Når dette sker, mister rumfartøjet kontrollen, hvilket gør det umuligt at pege instrumenter nøjagtigt eller opretholde korrekt orientering. Tidligere missioner som lyssejl 2 krævede daglige “momentum dumps” ved hjælp af magnetiske drejningsmomentstænger for at nulstille deres reaktionshjul, hvilket begrænser deres driftseffektivitet.
Forskere fra University of New South Wales har foreslået en elegant løsning inspireret af Japans banebrydende Ikaros -mission: refleksionskontrolenheder eller RCD’er. Dette er i det væsentlige elektroniske spejle, der kan ændre, hvordan de reflekterer sollys med flip af en switch.
RCD’er er tynde, fleksible membraner indlejret med flydende krystaller, svarende til dem på bærbare skærme. Når der anvendes elektricitet, skifter de mellem to tilstande: meget reflekterende (spekulær) og diffus reflekterende (spredt). Da forskellige reflektionsmønstre skaber forskellige kræfter fra solstrålingstryk, kan strategisk placerede RCD’er generere præcise drejningsmomenter for at hjælpe med at kontrollere rumfartøjets holdning.
Forskningsteamet udviklede en smart kontrolstrategi, der skifter mellem to operationelle tilstande. Under normal “jordpointing” -tilstand bruger rumfartøjet sine reaktionshjul til præcis peget, mens man udfører videnskabsobservationer. Når reaktionshjulene nærmer sig mætning, skifter rumfartøjet automatisk til “solpoint” -tilstand.
I solpointing-tilstand vender solsejlet mod solen direkte mod solen og maksimerer RCD’ernes effektivitet. De elektroniske spejle arbejder derefter parvis, nogle meget reflekterende, andre diffus reflekterende, hvilket skaber kontrollerede ubalancer i soltryk, der genererer de nøjagtige drejningsmomenter, der er nødvendige for at bremse spindreaktionshjulene.
Gennem detaljerede computersimuleringer ved hjælp af et rumfartøj, der ligner lyssejl 2 i en solsynkron bane 700 kilometer over Jorden, demonstrerede forskerne, at RCD’er med succes kunne forhindre reaktionshjulmætning. Uden RCD’er nåede reaktionshjulene deres grænser på kun 48 timer. Med RCD’er fungerede systemet glat i over en uge, med momentum offloading sessioner, der varer ca. 5 timer og forekommer omtrent hver anden dag.
RCD’erne viste sig at være i stand til at generere drejningsmomenter op til 7,4 mikro Newton -meter, små, men tilstrækkelige til at modvirke den gradvise momentumopbygning. Rumfartøjet kunne skifte mellem jordpeger og solpegende tilstande inden for 11 minutter og opretholde driftseffektiviteten, samtidig med at man forhindrer kontrolsystemfejl.
Måske mest markant tilbyder RCD’er fordele til dybe rummissioner, hvor traditionelle momentumstyringsværktøjer som magnetorquers ikke kan fungere. Magnetorquers er afhængige af Jordens magnetfelt, hvilket gør dem ubrugelige ud over vores planets øjeblikkelige nærhed. RCD’er, der kun er drevet af sollys, kunne muliggøre en præcis holdningskontrol for solsejlmissioner til asteroider, andre planeter eller endda interstellar rum.
Teknologien tilbyder også mekanisk enkelhed sammenlignet med andre foreslåede løsninger. I modsætning til komplekse gimbalsystemer eller bevægelige masser har RCD’er ingen bevægelige dele og tilføjer minimal vægt til rumfartøjet. Deres succesrige demonstration på Ikaros beviser, at de kan arbejde i det hårde miljø i rummet.
Mens det nuværende RCD-system kun kan kontrollere to af de tre rotationsakser, hvilket kræver yderligere systemer til komplet tre-akset kontrol, demonstrerer forskningen en praktisk sti fremad for at gøre solsejlads mere pålidelig og effektiv. Enkelheden i fremgangsmåden – i det væsentlige smart maling, der kan ændre dens refleksionsevne for kommandoen – kunne gøre solsejl mere attraktive for fremtidige missioner.
Da rumfartsagenturer og private virksomheder i stigende grad ser mod bæredygtig, brændstoffri fremdrift til ambitiøs dyb rumfartsudforskning, repræsenterer RCD’er et afgørende springbræt mod at gøre solsejlads så pålidelig som den er elegant. Nogle gange er de mest sofistikerede løsninger også de mest smukt enkle.