ソーラーセイル – 定義

導入

ソーラーセイルまたはフォトセイルは、星から放出される放射圧を利用して帆船のように宇宙を移動する推進装置です。

生成される推進力が低いため、このプロセスでは惑星の表面から離れることはできません（たとえ大気がなく、したがって摩擦がない場合でも）。ただし、すでに最低衛星速度、または解放速度に達しているデバイスでも使用できます。

一般原則

ソーラーセイルは、衝突する光子によって生成される圧力によって推進されます。セイルが大きく、反射性が高ければ高いほど、推進力は大きくなります。次に、帆を傾けたり、帆に作用したりすることで、光に当たる表面を変更し、力のバランスを調整して帆を「操縦」することができます。帆船のように、水と風の力を利用するソーラーセイル宇宙船は、重力と光子推力を利用して宇宙を航行できます。

主な利点は、このような装置を搭載した車両には燃料が必要ないことです。これにより、太陽系内での非常に大きな自律的な移動を想定することが可能になります。

ソーラーセイルに対する輻射圧の作用

「平均的な」光子のパルス

参照フレームに対して相対的な速度でアニメーション化された巨大なボディには、その積である大量の動きが含まれています。

。質量のない粒子（光子のような）には、同じ単位で表される特性があり、それは「運動量」、つまりエネルギーと速度の比と呼ばれます。

保存上の理由から、ターゲットによる粒子の吸収により、次の式に従って粒子が反動します。

と

h :プランク定数6.6e-34 Js

ν :周波数（ヘルツ単位）

c :光の速度3e8 ms ^-1

λ :波長(単位: m )

計算を単純化するために、太陽は混合波長を放出せず、0.5 μm の 1 つだけを放出すると仮定します。

• したがって、各光子の運動量は 10 ^-27 kg.ms ^-1に近くなります。
• そのエネルギー E _p = 3.96×10 ^-19ジュール、または 2.5 eV。

肉眼での使用

太陽は E _s = 3.9×10 ²⁶ W の総出力を放射します。これは、E _s /E _p = 10 ⁴⁵光子/秒を表します。

地球の軌道上では、これらの光子は半径 1 億 5,000 万キロメートルの球体、または 3.10 ²³平方メートルの面積に分布しています。

これは、10 ⁴⁵ /3.10 ²³または 3.10 ²¹フォトン/m² の密度を表します。

それぞれの力積を乗じて、1 m² のソーラーセイルが地球軌道上で収集できる最大力積、つまり 1 m² あたり 5×10 ^-6 kg.ms ^{-1 を}求めます。

したがって、1 kg を 1 ms ^-2で加速するには、ペイロードを得るためにこの帆の質量を差し引いた、少なくとも120,113.5 m²の表面積、または 346 × 346 mの正方形が必要です。 1 kg未満を使用するこのサイズの帆は、地球上ではどんな気流でもすぐに壊れてしまいますが、宇宙ではこの問題は明らかに存在しません。

太陽風の重要性

また、太陽風 (太陽から送られる荷電粒子の流れ) がこの現象に寄与していると考えることもできます。ここで、あなたの考えを正しく理解するためのちょっとした計算をしてみましょう。

地球レベルでの太陽風の特徴は次のとおりです。

粒子速度約 500 km/s = 5.10 ⁵ m/s

密度約 10 / cm3、または立方メートルあたり : 10 ⁷粒子。

したがって、1 秒間に 1 m² を超えると、N = 5.10 ⁵ x 10 ⁷ = 5.10 ^{12 個}の粒子が存在します。

組成は可変ですが、主に電子とイオン化した水素原子(つまりプロトン) が含まれています。したがって、各粒子の質量はおよそ m = 2.10 ^-27 kg となります。

帆の上で完全に跳ね返った場合、それぞれは帆に自身の2 倍に等しい力積、つまり p = 2 mv = 2.10 ^-21 kg.m/s を伝達します。

したがって、 1 m²が受ける加速度は次のようになります。 a = N xp / 1 s = 10 ^-8 kg.m/s²

これはすべて高い見積もりです。上で求めた放射圧力 (つまり 5.10 ^-6 ) と比較すると、太陽風はせいぜい全体の 0.2% にすぎません。そして実際、電子の割合 (流れの半分)、丸め、帆に埋め込まれるイオンの弱い反射を考慮すると、少なくともこの次数を 4 で割ることができます。最終的には 0.05% 程度の寄与であり、無視できる程度です。

一方、磁気セイルを使用して、荷電粒子が作り出す磁場を利用して推進することも考えられます。

ソーラーセイルの設計

したがって、帆によってもたらされる表面積は、この推進手段の性能において重要な特性であると理解しています（1 kg.ms ^-1の推力を得るには、 220,000 m 2の帆が必要です）。困難は、これらの装置が軌道に投入されるときにこの帆を輸送し、展開し、真空の宇宙に向けることです。

帆にはさまざまな形があります。

• 四角い帆は頑丈で操縦が簡単ですが、展開が複雑で、太陽光線に有効な表面積が少ないため効率が低くなります。
• 回転運動によって展開される丸い帆は輸送が容易ですが、操縦は非常に複雑です。
• ヘリオロータリーセイルは中心軸の周りに固定されたブレードで構成されており、展開と操縦が容易ですが、剛性が低く、したがってより壊れやすいです。

帆の品質も重要です。強くて軽く、最大限の光反射力を持っていなければなりません。 1973 年にハレー彗星を研究するための将来の衛星の推進手段を設計する際、ソーラー セイルはわずか数マイクロメートルの厚さのマイラーとポリイミドポリマー(カプトン)で作られました。