Żagle słoneczne w służbie orientacji sytuacyjnej w przestrzeni kosmicznej
Napędy kosmiczne to więcej niż tylko silniki rakietowe. Jedną z alternatyw są żagle słoneczne, których skuteczne wykorzystanie zademonstrowano w trakcie misji sondy IKAROS (od japońskiej Narodowej Agencji Kosmicznej, JAXA), sondy NanoSail D2 (od NASA) oraz sondy LightSail-1 (od Planetary Society). Ich niezwykły potencjał prawdopodobnie najlepiej podsumowuje jedna liczba: do 1/5 prędkości światła – to prędkość, jaką teoretycznie można osiągnąć wykorzystując ten rodzaj napędu. „Przez swoją bezpaliwową naturę żagle słoneczne są przełomem na polu napędów kosmicznych, gdyż umożliwiają długi czas życia i realizację koncepcji misji wysokoenergetycznych. Proponowane pomysły dotyczą między innymi misji nad biegunami słońca na potrzeby heliofizyki, zawieszenie na linii Słońce-Ziemia na potrzeby prognozowania pogody, czy umieszczenie żagla nad orbitą Ziemi na potrzeby nawigacji i komunikacji na dużych szerokościach geograficznych”, zauważa dr Jeanette Heiligers, stypendystka na Uniwersytecie Technicznym w Delft koordynatorka projektu S4ILS. Wszystkie te pomysły mają jednak wspólny mianownik: z definicji miałyby być wykorzystane w obrębie układu Słońce-Ziemia. Według dr Heiligers wygląda to tak, jakby społeczność akademicka po prostu przeoczyła możliwość wykorzystania technologii żagli słonecznych o wiele bliżej, w obrębie układu Ziemia-Księżyc. „W tym kontekście, moją misją w ramach projektu S4ILS było zgłębienie potencjału żeglowania słonecznego w układzie Ziemia-Księżyc, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowań w dziedzinie orientacji sytuacyjnej w przestrzeni kosmicznej (ang. Space Situational Awareness, SSA). Trzeba na tym polu uzupełnić ważną lukę, na co wskazują zaburzenia sygnałów GPS i komunikacji satelitarnej wywołane rozbłyskami słonecznymi, kolizja satelitów Iridium i Cosmos w 2009 r., czy wejście asteroidy w atmosferę ziemską nad Rosją w 2013 r.”, wyjaśnia. Wraz ze współpracownikami dr Heiligers przeprowadziła dogłębną i systematyczną analizę i obliczenia oraz skatalogowała periodyczne orbity żagli słonecznych w ujęciu pełnego, nieliniowego układu Ziemia-Księżyc. Zespół ocenił te orbity w odniesieniu do wykorzystania na potrzeby SSA oraz sprawdził wydajność różnych konfiguracji żagli słonecznych na potrzeby kontroli orbit: od tradycyjnego, płaskiego, często kwadratowego żagla po układ zwany żyroskopem słonecznym, w którym powierzchnia żagla podzielona jest na określoną liczbę długich, smukłych paneli rozmieszczonych wokół centralnie umieszczonej piasty i spłaszczonych naprężeniem wywołanym przez ruch obrotowy. Wyniki badań projektu S4ILS znajdą zastosowanie w różnych dziedzinach. Na przykład przy projektowaniu innowacyjnych konstelacji żagli słonecznych wokół Ziemi, które przy pomocy tylko dwóch satelitów mogłyby niemal nieprzerwanie pokrywać obszar Arktyki lub Antarktydy. To, z kolei, mogłoby umożliwić badania globalnych zmian klimatu czy monitorowanie i prognozowanie pogody kosmicznej. Poza badaniami skoncentrowanymi na SSA, projekt ten zaowocował również współpracą dr Heiligers z założonym przez NASA Centrum Badawczym Langley. Istotnie, NASA opracowała nową technologię żagli kosmicznych na potrzeby wykorzystania w małych platformach satelitarnych (tzw. CubeSat), a dr Heiligers sprawdzała możliwości wykorzystania tej technologii na potrzeby monitorowania asteroidy 2016 HO3. „Wygląda na to, że przy użyciu żagli słonecznych podróż statku kosmicznego do asteroidy byłaby nie tylko krótsza w porównaniu do tradycyjnych, zużywających paliwo napędów o niskim ciągu, takich jak silnik jonowy, ale także wymagane zużycie paliwa takiego silnika jonowego przekraczałoby oczekiwaną pojemność paliwową na pokładzie satelity typu CubeSat. Jednoznacznie wskazuje to w jaki sposób żagle słoneczne pomogą urzeczywistnić misje, których realizacja nie jest możliwa przy pomocy tradycyjnych napędów”, podsumowuje dr Heiligers.
Słowa kluczowe
S4ILS, CubeSat, żagle słoneczne, układ Ziemia-Księżyc, asteroida, napęd
