NASA finanziert Forschung zu fortschrittlichen Sonnensegeln

Großes Quadrat wie ein abgeflachtes Zelt im Orbit von Erde und Mond.

Künstlerisches Konzept eines Sonnensegels, das die Erde verlässt. Ein neuer Typ von Sonnensegel in Entwicklung könnte Metamaterialien verwenden –Metaist von einer griechischen Wortbedeutungdarüber hinaus– stärker zu sein und mehr Energie zu nutzen als frühere Designs. Bild über die NASA.


Wie reist man am besten durch das Sonnensystem oder sogar darüber hinaus? Konventionelle Raketen werden natürlich schon seit Jahrzehnten eingesetzt, aber welche Alternativen gibt es? Eine romantische Möglichkeit, die bereits einige ermutigende Testergebnisse gezeigt hat, istSonnensegel. Ein Sonnensegel-Raumschiff enthält große, dünne „Segel“ oder Membranen, dieSonnenstrahlungsdruck– ein winziger Sonnendruck auf alles, was ihm begegnet – um das Schiff voranzutreiben. Die Technik erinnert an die Art und Weise, wie alte Segelschiffe den Wind nutzten, um auf den Ozeanen zu reisen.

Jetzt finanziert die NASA ein neues Konzept für Sonnensegel, dasdiffraktivSegel statt reflektierender Segel, wie dies bisher die Technik war. Wieangekündigtvom Rochester Institute of Technology (FAHRT) am 24. April 2019 stellt die NASA einen ProfessorGrover Swartzlandereine Phase-II-Auszeichnung durch ihre NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Programm zur Untersuchung der Machbarkeit von diffraktiven Sonnensegeln in den nächsten zwei Jahren. Die Auszeichnungen in Phase II können für zweijährige Studien bis zu 500.000 US-Dollar wert sein, im Vergleich zu 125.000 US-Dollar für Phase I. Wie Swartzlander sagte:


Wir starten in ein neues Zeitalter der Raumfahrt, das den Sonnenstrahlungsdruck auf große, dünne Segelmembranen nutzt. Die konventionelle Idee der letzten 100 Jahre war es, ein reflektierendes Segel wie eine Metallbeschichtung auf einem dünnen Polymer zu verwenden und das im Weltraum zu entfalten, aber Sie können auch eine Kraft erhalten, die auf dem Beugungsgesetz basiert. Im Vergleich zu einem reflektierenden Segel denken wir, dass ein diffraktives Segel effizienter sein und der Sonnenhitze besser standhalten könnte. Diese Segel sind transparent, sodass sie nicht viel Sonnenwärme absorbieren und wir haben kein Wärmemanagement-Problem wie bei einer metallischen Oberfläche.

Mann mit Mikrofon, der auf das Diagramm des Lichtspektrums auf einem großen Fernsehbildschirm zeigt.

Grover Swartzlander vom RIT sprach letzten Monat bei der NASA Inventive Genius-Vortragsreihe im Chicago Museum of Science and Industry über seine Arbeit an diffraktiven Sonnensegeln. Bild überJ. B. Spector/Museum für Wissenschaft und Industrie (MSI).

Viele konzentrische rote Kreise, innere heller, nach außen hin verblassend.

Beugungsmuster eines roten Laserstrahls auf einer Platte, nachdem er eine kleine kreisförmige Öffnung in einer anderen Platte passiert hat. Bild überWikipedia/Wisky/CC BY-SA 3.0.

InBeugung, eine Welle (leicht oder anders) wird leicht um ein Objekt oder Hindernis gebogen – oder durch ein Loch namens anÖffnung– statt nur vom Objekt abzuprallen, wie bei der Reflexion. Ein Beispiel ist eine gewöhnliche CD. Die eng beieinander liegenden Rillen auf der Scheibe wirken alsBeugungsgitterDies bildet einen Regenbogeneffekt, der beim Betrachten einer Scheibe zu sehen ist. Ein Hologramm auf einer Kreditkarte ist ein weiteres Beispiel.




Die Solarsegel, die Swartzlander entwickeln will, würden ein ähnliches Ergebnis durch den Einsatz von optischen Folien ausMetamaterialien, auch als intelligente Materialien bekannt. Dies sind Materialien, die entwickelt wurden, um verbesserte Eigenschaften zu haben, die in den natürlich vorkommenden Versionen dieser Materialien nicht zu finden sind. Dies würde nicht nur die Masse der Segel verringern, sondern die Segel würden auch verbrauchenelektrooptische Laserstrahllenkungstatt mechanischer Lenkung. Dies würde auch die Segel effizienter und weniger bruchanfällig machen. Auf dem Sonnensegel könnten die Metamaterialien verwendet werden, um Sonnenenergie in Beugungsgitterstrukturen einzufangen, was es ermöglichen würdeviel mehr Energie geerntet werdenaus der gleichen Lichtmenge.

Sonnensegel glitzernd mit Regenbogenfarben im Orbit um die Erde, Sonne im Hintergrund.

Eine künstlerischere Wiedergabe eines diffraktiven Lichtsegels. Bild über die NASA.

Wohin könnte ein Raumschiff mit Sonnensegeln reisen? Als einen frühen Schritt stellt sich Swartzlander eine Flotte von ihnen vor, die um die Sonne positioniert werden, um eine noch nie dagewesene 360-Grad-Ansicht unseres Heimatsterns zu erreichen. Da sie der Sonnenhitze besser standhalten als herkömmliche Sonnensegel, konnten sie sogar in der Nähe der Sonnenpole platziert werden. Swartzlander hofft auf eine Demonstrationsmission innerhalb der nächsten fünf Jahre:

Die National Academy of Sciences bittet ständig um weitere Missionen, die zum Verständnis der Physik der Sonne beitragen, und dies könnte ein wichtiger Teil davon sein.


Im Moment ist dieParker Solarsonde, eine ausgeklügelte, aber immer noch 'alte Schule' Art von Robotersonde, macht eine Reihe von Umlaufbahnen um die Sonne und kommt mit jeder Umlaufbahn näher. Es nähert sich der Sonne viel näher als jedes andere Raumfahrzeug zuvor, wird aber immer noch auf beschränkt seinwieschließen kann es bekommen.

Diese neue Art von Solarsegel, das sich in Entwicklung befindet, könnte der Sonne noch näher als die Parker Solar Probe kommen und dort länger bleiben, eine einzigartige Gelegenheit, unseren Stern genauer als je zuvor zu studieren.

Die Solarsegel-Technologie istnur einervon 18 neuen „potenziell revolutionären Weltraumtechnologiekonzepten“, in die die NASA investiert. Andere Konzepte umfassen dieSchicker Anzug, ein intelligentes Raumanzug-Design mit Soft-Robotik, selbstheilender Haut und Datenerfassung für extravehikuläre Aktivitäten in extremen Umgebungen undStrom für interstellaren Vorbeiflug, eine neue Art der Energiegewinnung aus Ultraminiatursonden, um interstellare Missionen zu ermöglichen.

Parker Solar Probe Raumsonde in der Nähe der Sonne mit Flecken und Vorsprüngen.

Die Parker Solar Probe der NASA macht derzeit nahe Vorbeiflugbahnen an der Sonne, aber der geplante neue Typ von Sonnensegel könnte noch näher kommen. Bild über NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben.


EntsprechendJim Reuter, amtierender stellvertretender Administrator des Space Technology Mission Directorate der NASA:

Unser NIAC-Programm fördert visionäre Ideen, die zukünftige NASA-Missionen durch Investitionen in revolutionäre Technologien verändern könnten. Wir erwarten Amerikas Innovatoren, die uns helfen, die Grenzen der Weltraumforschung mit neuen Technologien zu erweitern.

NIAC-Konzepte sind topaktuelle Ideen, aber nichtauchweit draußen. WieJason Derleth, NIAC-Programmleiter, sagte:

Bei NIAC geht es darum, an den Rand der Science-Fiction zu gehen, aber nicht zu Ende. Wir unterstützen hochwirksame Technologiekonzepte, die unsere Erforschung innerhalb des Sonnensystems und darüber hinaus verändern könnten.

Wenn diese neuen Sonnensegel-Technologien Realität werden, könnten sie dazu beitragen, die robotische Erforschung von Planeten, Monden und anderen Körpern im Sonnensystem zu revolutionieren und vielleicht eines Tages sogar eine mutigere Reise zu einem anderen Stern zu unternehmen.

Fazit: Die neue Beugungstechnologie, die jetzt getestet wird, könnte Sonnensegelsonden revolutionieren, sie stärker und effizienter machen, selbst wenn sie nahe an der Sonne hängen.

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