Максимальная скорость, достигнутая солнечным парусом

тл;др:

Можем ли мы с этим приблизиться к скорости света?

Нет, по крайней мере, не очень легко. Конечная скорость$v_{\infty}$составляет всего около 0,2% скорости света, если вы начинаете с 1 а.е., используя парус толщиной 10 нанометров, и масштабируется только как обратный квадратный корень расстояния до Солнца, на котором вы начинаете ускоряться (а также толщина паруса), поэтому вы растает, не получив особой пользы от старта очень близко к нему. Прохождение мимо второй звезды мало помогает, потому что вы будете проходить мимо нее так быстро, что не получите много второго удара.

Связь между импульсом и энергией фотона такова.$p = E/c$, сила$dp/dt$, а ускорение равно$F/m$. Для отражающего паруса коэффициент идеального отражения нормального падения составляет до 2, а общая падающая мощность (энергия в единицу времени) будет интенсивностью.$I$солнечного света (энергия на единицу площади в единицу времени), умноженная на площадь$A$. Так

Чтобы проверить это, парус площадью один квадратный километр, сделанный из футуристического отражающего материала толщиной 10 нанометров, будет весить порядка 10 кг. В 1 а.е. от Солнца,$I$составляет около 1361 Вт/м^2 ( Солнечная постоянная ), что дает ускорение 0,9 м/с^2, что на удивление велико, пока вы не вспомните, что в процессе перенаправляете гигаватт солнечного света.

Если вы не согласны с упомянутым футуристическим зеркалом толщиной 10 нм, проволочная сетка, разнесенная на субволновую длину, обсуждается в отчете Института передовых концепций НАСА 1999 года « Сверхтонкие солнечные паруса для межзвездных путешествий: окончательный отчет фазы I» , где значения от 0,5 до 4 м / с ^2 представлены на рисунке 7.

Чтобы получить асимптотическую конечную скорость, мы можем заставить ее работать для всех расстояний, нормализовав ее до 1 а.е.:

а затем интегрировать его до бесконечности, но, к сожалению, я больше не могу вспомнить, как решать дифференциальные уравнения, поэтому я буду обманывать и использовать результат в верхней части страницы 14 этого отчета:

что составляет всего около 0,2% скорости света, начиная с 1 а.е., и масштабируется только как обратный квадратный корень расстояния до Солнца, где вы начинаете ускоряться.

В таблице 1 показаны некоторые миссии, которые можно выполнить для сверхлегкого солнечного паруса. Ультратонкий лист алюминия толщиной всего в несколько нанометров может развивать скорость переменного тока ~0,3 м/с2, может достичь Плутона примерно за 100 дней и достичь облака Оорта на расстоянии ~10 000 а.е. в течение столетия. Напротив, нынешним методам движения потребуется более десяти лет, чтобы достичь Плутона, и они совершенно непрактичны для достижения межзвездного пространства. Перфорированный легкий парус из алюминия может достичь облака Оорта за полвека, если мы сможем достичь скорости переменного тока >0,5 м/с2, и за 12 лет, если удастся достичь скорости переменного тока ~5 м/с2. В отдаленной перспективе парус, сделанный из легированных углеродных нанотрубок, вероятно, мог бы приблизиться к Солнцу в пределах 4 солнечных радиусов, а если бы его скорость переменного тока составляла 10 м/с2, он мог бы достичь α Центавра за столетие. Парус из легированных углеродных наноструктур может достичь нашей ближайшей звезды через несколько десятилетий, если ac >

Таким образом, можно видеть, что сверхтонкий солнечный парус может революционизировать перспективы межзвездных путешествий. Уникально то, что с этой технологией такие миссии могут стать не только осуществимыми, но и потенциально дешевыми, поскольку вся движущая сила предоставляется в виде грубого солнечного света — не требуются гигантские лазеры или другие энергетические системы.

Если предположить, что фотоны ударяются о парус с неизменной скоростью и удаляют переменные, такие как гравитация, препятствия и все остальное, что может препятствовать движению корабля, то теоретически да, можно приблизиться к скорости света. Однако чем быстрее вы двигались, тем больше времени ушло на значительное ускорение корабля. Это означает, что на достижение скорости света могут уйти тысячи лет, если не больше. Подумайте об этом так. Два гонщика движутся с разной скоростью. Автомобиль 1 находится в 20 футах перед автомобилем 2, однако автомобиль 1 движется медленнее, чем автомобиль 2, стоящий позади него. При такой скорости Автомобиль 2 в конечном итоге догонит Автомобиль 1 через определенный период времени. Но если Автомобиль 1 ускорится, Автомобилю 2 потребуется больше времени, чтобы догнать Автомобиль 1. Автомобиль 1 похож на Солнечный Парус, а Автомобиль 2 - это Фотон, ударяющий по парусу. Суммируя,