Насколько реалистичен солнечный парус массой 1 кг/км² в «Пределе смерти»?

Солнечный парус с поверхностной плотностью$1~\mathrm{kg}/\mathrm{km}^2 = 1~\mathrm{mg}/\mathrm{m}^2 =0.001~\mathrm{g}/\mathrm{m}^2$с точки зрения материаловедения невозможно, потому что графен имеет поверхностную плотность$0.77~\mathrm{mg}/\mathrm{m}^2$.

Будучи одним атомным слоем легкого атома, графен является абсолютным нижним пределом плотности практически всего, что можно построить, включая солнечные паруса. Единственный атомный слой, такой как графен, вряд ли будет хорошо работать в качестве солнечного паруса. Вот проблемы:

1. Графен почти прозрачен: ( только 2% видимого света блокируется одним слоем)
2. Один слой графена быстро разрушается под действием радиации в космосе.
3. Большие листы графена разрушились бы сами по себе без поддержки. В настоящее время не существует технологий для строительства таких опор, и они могут быть невозможны для такой плотности площади.

Существует обширный сводный отчет о возможных улучшениях материалов солнечного паруса:

«Сверхтонкие солнечные паруса для межзвездных путешествий - Заключительный отчет фазы I»
, декабрь 1999 г., Дин Спит, доктор Роберт Зубрин.

При чтении этого отчета нужно иметь в виду, что они ищут только свойства самого паруса, не принимая во внимание конструктивные элементы или какую-либо полезную нагрузку. Тем не менее, это хорошее резюме того, как можно улучшить текущую современную майларовую фольгу.

Они резюмируются следующим образом:

• Улучшение в 25 раз за счет удаления пластиковой подложки, оставляя слой алюминия ~100 нм,
• в 300 раз за счет уменьшения толщины алюминиевого паруса до ~4–5 нм,
• в 500–5000 раз за счет перфорации алюминиевого паруса, что возможно в ближайшем будущем, и
• в 10 000 раз -100 000X за счет легирования углеродных нанотрубок в следующем столетии.

В соответствии с этим первым шагом является избавление от пластикового поддерживающего материала, который составляет большую часть майлара. Очевидно, что алюминиевый слой толщиной 100 нм сам по себе недостаточно стабилен для транспортировки и развертывания, поэтому предлагается использовать пластиковый материал, который после развертывания отрывается, например, разрушается УФ-излучением. Часть сэкономленного веса должна быть добавлена ​​снова в виде материалов жесткости, но современные материалы на основе углеродного волокна должны выполнять эту работу с меньшим весом.

Второй шаг — уменьшить толщину алюминия. Они нашли «фольгу» толщиной 5 нм как оптимальную с точки зрения ускорения на единицу массы. В этот момент он становится прозрачным примерно на 50%, но уменьшенная масса более чем уравновешивает уменьшенную отражательную способность. Опять же, необходимо добавить дополнительный материал, чтобы сохранить эту фольгу стабильной.

Третий и радикальный шаг — вообще не использовать фольгу, а очень разреженную сетку. Помните, что структуры значительно ниже длины волны света не могут быть разрешены, а сетка из 5-нм проводов, расположенных на расстоянии 200 нм друг от друга, имеет почти те же оптические свойства, что и сплошная фольга, при весе 1%. Производство такого материала в небольших масштабах вполне возможно сегодня, но изготовление паруса километрового размера, который можно будет развернуть в глубоком космосе, будет серьезной проблемой.

Вопрос о том, можно ли из этих материалов изготовить парус заданного веса, остается открытым, но, по крайней мере, часть фольги с использованием технологий, доступных сегодня в небольших масштабах, может быть в диапазоне 10 мг/м².

Все вы должны помнить, что NIAC, по крайней мере, на момент написания отчета, не финансировала контракты, которые было легко выполнить, и не просто инженерную задачу - они хотели далеко идущих концепций, недостижимых сегодня, но не нарушающих никаких известных законов. физики.

Да, мы рассмотрели структурно-механические свойства материалов в зависимости от температуры, а также массу полезной нагрузки в отчете. Синди или Боб, еще до того, как я присоединился к команде около 2000 года, предложил блестящую идею рассмотреть углеродные нанорешетки, которые можно производить в небольших масштабах, и обычно можно получить чрезвычайно высокие механические свойства с помощью нанотехнологий или гальванопластики металлов. Углерод и металлы являются проводящими, поэтому эффект SGEMP маловероятен; точно так же космические лучи и заряженные частицы мало влияют на проводящие материалы, поскольку в них уже есть свободные электроны. И вы бы не собирали углеродную конструкцию на НОО из-за эрозии атомарного кислорода, а также из-за увеличения проблем с орбитальным мусором, но когда вы находитесь выше НОО (скажем, на НОО или ГЕО), это не проблема (но все еще проблема производства). Сетка сохранит свою форму даже после большого количества ударов микрометроида. Большая проблема с большим солнечным парусом, если его можно собрать на высокой орбите, заключается в том, как им управлять, когда он выходит из-под влияния давления солнечного света. Возможно, им можно управлять с помощью небольшого плазменного двигателя или тепла от небольшого РИТЭГа, поскольку, похоже, РИТЭГи повлияли на небольшое отклонение траектории космического корабля "Вояджер".

(к вашему сведению, по другому вопросу, потребуется несколько «солнечных парусов» размером с Аляску на СОО, чтобы временно заблокировать солнце примерно на половине орбиты на несколько минут над любой массой суши и тем самым компенсировать глобальное потепление, но вероятно, нецелесообразно строить что-то такого масштаба, не говоря уже о том, чтобы держать его на орбите.) — Дин Спит, бывший сотрудник Ball Aerospace.