Como você projeta uma vela que pode transportar uma espaçonave para outro sistema solar?
agência da NASA Viajante 1 E a Voyager 2 As duas sondas, lançadas na década de 1970, ainda são os únicos objetos feitos pelo homem a deixar nosso sistema solar. Embora o par tenha desafiado as expectativas e ainda esteja operando, os pesquisadores continuam a elaborar novas missões que podem explorar além de nossa vizinhança estelar. Uma das técnicas conhecidas como vela leveuma vela impulsionada pela luz e não pelo vento, parece ser um meio promissor de alcançar um objetivo tão ambicioso.
Em dois novos estudos, os pesquisadores descobriram a melhor forma de projetar uma vela leve para a viagem interestelar. Eles descobriram que essa vela deve fluir e ter um padrão semelhante a uma rede e também chegaram a algumas conclusões sobre os melhores materiais a serem usados.
Esses estudos foram conduzidos como parte da Iniciativa Breakthrough Starshot, um projeto de pesquisa e engenharia destinado a desenvolver novos projetos para um veículo movido a vela leve capaz de viajar para Alfa Centauronossos vizinhos mais próximos no sistema solar.
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Breakthrough Starshot é um projeto com Breakthrough Initiatives, um “grupo de programas de ciência espacial que investiga questões fundamentais da vida no universo”, de acordo com Breakthrough Starshot. local na rede Internet.
O Breakthrough Starshot visa desenvolver uma vela leve que carrega uma sonda do tamanho de uma pequena bolacha a 20% da velocidade da luz. Esse ritmo de alta velocidade fará com que a sonda atinja Alpha Centauri em cerca de 20 anos, De acordo com a declaração.
Para referência, Alpha Centauri está localizada a cerca de 4 anos-luz da Terra, e alguns especialistas Estima-se que levará pelo menos 6.300 anos para chegar ao sistema com a tecnologia atual.
O que é uma vela leve?
As velas leves não são ficção científica, nem são uma ideia nova. As velas leves, também conhecidas como velas solares, podem impulsionar naves espaciais sem usar combustível de foguete. As velas leves funcionam quando partículas de luz, conhecidas como fótons, colidem com a vela refletora, transferindo seu momento para a placa.
Com o tempo, bilhões e bilhões de fótons atingirão a vela, dando impulso suficiente para “empurrar” a nave para frente.
Em 2019, a Planetary Society, uma organização sem fins lucrativos de educação e divulgação espacial sediada nos EUA, lançou uma espaçonave movida a planador com financiamento coletivo chamada LightSail 2 para a órbita da Terra. A espaçonave cubo é do tamanho de um pão, mas sua vela solar abrange 433 pés quadrados (32 metros quadrados).
A vela leve do veículo consiste em quatro seções triangulares feitas de mylar de alumínio. Quando a nave chegou ao espaço em um foguete SpaceX Falcon Heavy, estava manobrando em órbita usando empuxo gerado pela luz solar.
A agência espacial japonesa JAXA também lançou uma espaçonave que viaja com a ajuda de uma vela solar chamada Icaro.
No entanto, o Starshot é diferente do LightSail 2. Enquanto o LightSail 2 depende exclusivamente de fótons do Sol, o Starshot precisará de luz mais intensa para atingir as velocidades extremas que os líderes do projeto esperam alcançar. Para fazer isso, o projeto visa usar lasers terrestres para focar a luz intensa diretamente nas velas de luz das potenciais sondas Starshot, enviando-as rapidamente após atingirem a órbita.
Formação perfeita da vela solar
Neste par de novos estudos, os pesquisadores investigaram a forma e o estilo mais eficazes de uma vela leve.
O primeiro artigo, liderado por Igor Bargatin, pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Universidade da Pensilvânia, propõe o melhor material e forma para a vela interestelar.
Primeiro, o estudo sugere que a vela leve do Starshot deve ser feita de folhas ultrafinas do composto químico óxido de alumínio e o dissulfeto de molibdênio do metal de transição prateado.
A equipe também recomenda que, para evitar a ruptura, uma vela leve deve ter uma curva significativa e “fluir como um pára-quedas, em vez de ficar plana”, segundo o comunicado.
“A intuição aqui é que uma vela muito estreita, seja em um veleiro ou no espaço, é mais propensa a chorar”, disse Bargatin no mesmo comunicado. “É um conceito relativamente fácil de entender, mas precisávamos fazer alguns cálculos muito complexos para mostrar como esses materiais se comportam nessa escala.”
Especialmente com as altas velocidades que a equipe Starshot está buscando, a vela suportará uma quantidade significativa de pressão quando levada ao limite. Esses pesquisadores sugerem que a forma protuberante ajudará a evitar que a vela se quebre sob essa pressão.
“Os fótons de laser encherão a vela como o ar soprando uma bola de praia”, disse o autor principal Matthew Campbell, pesquisador de pós-doutorado no grupo Bargatine, no mesmo comunicado. “E sabemos que os recipientes leves e compactos devem ser esféricos ou cilíndricos para evitar rasgos e rachaduras. Pense em tanques de propano ou mesmo tanques de combustível em foguetes.”
padrão importante
O segundo artigo explorou como um padrão dentro da vela poderia distribuir de forma mais eficaz o calor da luz dos feixes de laser no solo.
“Se as velas absorverem até mesmo uma pequena fração da luz do laser incidente, elas aquecerão a temperaturas muito altas”, diz o autor principal Aaswath Raman, pesquisador do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UCLA. Ele disse no mesmo comunicado. “Para garantir que ele não se desintegre, precisamos aumentar sua capacidade de irradiar seu calor, que é o único modo de transferência de calor disponível no espaço”.
Anteriormente, os pesquisadores sugeriram que o “tecido” leve da vela poderia ser coberto por pequenos orifícios uniformemente espaçados para lidar com essa ansiedade frenética. No entanto, esses pesquisadores sugerem que a vela pode ter perfurações além do tecido da vela que são agrupadas em um padrão de treliça para maximizar a distribuição de calor.
“Alguns anos atrás, pensar ou fazer trabalho teórico sobre esse tipo de conceito era considerado um pouco exagerado”, disse o coautor Deep Jariwala, pesquisador que trabalha com Bargattin na Universidade da Pensilvânia, no mesmo comunicado. “Agora, não temos apenas um projeto, mas o projeto é baseado em materiais reais disponíveis em nossos laboratórios. Nosso plano para o futuro será fazer essas estruturas em pequena escala e testá-las com um laser de alta potência.”
Esses papéis foram Publicados 16 de fevereiro em Nano Letters.
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