Космический парус (радиометрический)

on 14 June 2008.

Есть некоторые эффекты, которые выглядят досадной помехой, побочным эффектом на фоне желаемого результата. На то, чтобы избавиться от этих эффектов, тратится уйма времени, эксперимент доводится до такой степени совершенства, что приходится применять как самую современную технику, так и искусство экспериментатора. Так Лебедев, измеряя давление света, был вынужден бороться на грани возможного с радиометрическими силами, которые начисто затмевали результат.

 

 


Радиометрические силы в сотни тысяч раз превышают силу давления света.

Конвекционные силы в десятки тысяч раз превышают силу давления света. (Перышкин А.В. Курс физики. М., Просвещение, 1970, Т. 3, стр.302).

Но ведь иногда эти побочные эффекты могут принести и пользу, если применить их в других областях. Применение радиометрических сил в современных конструкциях космических парусников автору представляется перспективным направлением.

Проделаем такой опыт.

Пусть черное с обоих сторон легкое тело (лепесток из зачерненной фольги, например) с одной стороны имеет в тысячи раз лучшую теплоизоляцию, чем с другой. Причем этот изоляционный слой прозрачен для света, но крайне плох для теплопередачи. Практически это может быть реализовано, например, с помощью прозрачной пленки. Два таких лепестка помещают на коромысле, которое стоит на игле или висит на тонкой нити.

Механизм действия таков.

Свет падает на черный лепесток, причем, неважно с какой стороны! Лепесток нагревается и отдает тепло окружающему воздуху, но так как с одной стороны есть теплоизоляция, то основная теплоотдача произойдет там, где лепесток контактирует с окружающей средой. Нагретые слои воздуха расширяются (молекулы приобретают температуру лепестка) и отталкиваются от лепестка. Лепесток естественно, отталкивается также от этих нагретых слоев и начинает движение в обратную сторону. (Опыт с простым листом бумаги на коромысле - имитатор крутильных весов - и ладонью в качестве нагревателя демонстрирует такой же эффект).

Подобное зеркало в космосе, принимающее солнечное излучение, может иметь тяговую силу в сотни тысяч раз большую, чем существующие солнечные паруса. Единственным недостатком подобного паруса будет необходимость наполнять пространство перед парусом каким либо газообразным веществом. Именно это вещество, подойдя к парусу, получит от его нагретой Солнцем поверхности импульс и отшвырнется от него, но в тот же момент и парус получит импульс в обратную сторону.

Сейчас добиваются на парусах зеркального слоя, чтобы идеально отразить свет, тогда импульс удваивается. Кроме того, и массу зеркала стараются сделать по возможности меньше - только тогда взаимодействие фотонов с зеркалом эффективно. Автор же предлагает поступать как раз наоборот: максимально зачернить поверхность, чтобы принять максимум солнечной энергии, нагреть парус до таких температур, чтобы он стал эффективно работать как реактивный двигатель. Причем он будет работать не только от бортового запаса вещества, но и от того вещества в пространстве, которое поступает от Солнца ИЛИ будет неизбежно возвращено на парус солнечным излучением. Интенсивность солнечного излучения так высока, что отброшенное от паруса вещество обязательно столкнется или с фотонами или с солнечным ветром и опять вернется к парусу. Свободный пробег частиц до столкновений не будет велик, солнечное пространство это не тот холодный вакуум, который получают в лабораториях, это пространство, насыщенное энергией и энергичными частицами.

Хвосты комет выдуваются Солнцем, причем для водорода например, сила солнечного давления в тысячи раз превышает силу гравитационного притяжения. Да и другие вещества ведут себя не хуже. Есть, правда, хвосты комет, которые называют аномальными, направленные в сторону Солнца, о природе которых спорят до сих пор. Считается, что они состоят из тяжелых молекул или пыли. Они вызываются выбросами вещества со стороны кометы, обращенной к Солнцу, от разогретых и бурно испаряющихся участков. Они коротки, остры и быстро рассеиваются, уничтожаются солнечным излучением. Практически мы видим факел ракетного двигателя. Энергопоставщик (Солнце) нагревает поверхность кометы, а эта поверхность отнюдь не однородна, есть темные и светлые места; кроме того есть легко испаряемые компоненты (лед, замерзшие газы) и трудно испаряемые (пыль, камни). Легко испаряемые компоненты с прогретой поверхности выбрасываются в космос, комета получает отдачу, изменяет траекторию, меняет период появления и очень расстраивает астрономов.

Оценим приблизительно радиометрическую тягу солнечного паруса площадью, например, в 100 м2. Давление света в яркий солнечный день на земную поверхность 0,4 дины на кв. м. Энергия, поступающая ежесекундно на эту площадь, 1400 ВТ. Предположив, что реактивная сила (радиометрическая сила) в 100 000 раз больше давления света, получим 0,4 Н на м2 или по общей площади 40 Н. Что очень и очень неплохо- ведь на это не тратилась бортовая энергия.

Однако, хотелось бы оценить и возможные потери.

В открытом космосе, где излучение значительно выше, и энергия будет большей: земная атмосфера не пропускает рентген лучи, жесткий ультрафиолет, радиоволны, солнечный ветер и нейтральные молекулы, которые выдуваются из солнечной системы. Поэтому, если мы примем мощность в 2000 Ватт, то это еще будет мало (на расстоянии от Солнца, равном радиусу орбиты Земли). Общая энергия, воспринятая парусом на всю площадь тогда составит 200 000 Ватт (200 кВт). Не будем рассматривать системы, преобразовывающие эту энергию и работающие на ионный двигатель - любые преобразования есть потеря энергии. Конечно, идеально бы было взять энергию всем парусом, отдать тепло (энергию) в точечный источник (реактивный двигатель), который работает экономно и эффективно. Но сделать мы это сможем с помощью фотоэлементов, которые имеют КПД 10%. И, кроме того, потеряем рабочее вещество.

Примем, что парус - это зачерненная металлическая фольга, с одной стороны покрытая теплоизолирующим слоем. Остывание фольги происходит как за счет  теплового излучения, так и за счет теплообмена с наполнителем - рабочим веществом. Чем выше будет температура поверхности паруса, тем больше энергии будет уходить на излучение (потери). Чем большую часть энергии отдаст парус рабочему веществу (газу) контактирующему с парусом, тем более эффективным будет преобразование энергии и тем большей будет тяга.

По закону Стефана-Больцмана

R= G T4

R-интегральная энергетическая светимость абсолютно черного тела,

Т-температура, К

 G-постоянная, 5,71х10-12 Вт/см2град4= 5,71х10-8Вт/м2 град4

Примем, что парус нагреется до 200 градусов Цельсия (473 К). На излучение с площади 100 м2 тогда уйдет

5,71х10-8х5х1010х100=28,55х104 Вт

Это больше, чем поступает (200 000 Вт) Парус не сможет нагреться до такой температуры.

Примем, что парус нагреется до 100 градусов Цельсия (373 К).

5,71х10-8х1,9х1010х100= 10,8 х104 Вт

То есть половина мощности (от 200 кВт поступающей ежесекундно солнечной энергии) пойдет на тепловое излучение. Половина мощности пойдет на разогрев и отброс рабочего вещества.

Рассмотрим формулу

d(mV)/dt=F

Если каждую секунду мы будем нагревать одно и то же количество рабочего вещества (масса -константа), а будем изменять скорость рабочего вещества (от 0 до 2000 м/с - это скорость легких молекул (водород) при рабочей температуре 373 К), то для создания тяги в 40 Н потребуется 0,02 кг вещества. 100 кВт энергии с лихвой хватит, чтобы нагреть такое количество вещества. И даже перегреть.

Поэтому можно заключить, что сила тяги от радиометрических сил будет БОЛЬШЕ, чем оценочные расчеты.

Расход вещества за один час составит 72 кг. За сутки- 1728 кг. Это достаточно много. Хотя за эти же сутки корабль получит импульс силы

40 Нх3600сх24ч. =3 456 000 Нс

А действительно ли свободный пробег частиц газа наполнителя будет мал? Произойдет ли возврат вещества на парус за счет солнечного излучения?

Рассчитаем частоту падения фотонов на площадку, равную гипотетическому размеру фотона - длине волны.

Пусть на зачерненное тело падают солнечные лучи, несущие энергию 2000 Вт/м2(Е). Примем среднюю длину волны в 500 нм (L).  Какое количество фотонов попадет на площадку диаметром 500 нм за одну секунду (n)?

n=NS,          n=ES/e=ES/hn=ESL/hc=EpL3/(4hc)

S=pL2/4, р -число "пи"

Подставив данные

Е - 2000 Вт,

с- 300 000 000 м/с,

h- 6,62х10-34 Дж с,

L- 500 нм=5х10-7м условная длина волны падающего света.

Получим 9,88х108 фотонов.

На площадку площадью с фотон упадет миллиард фотонов в секунду.

Средняя плотность межпланетной среды 10-17 кг/м3. Искусственный выброс рабочего вещества перед зеркалом увеличит плотность среды перед зеркалом, предположим, в миллиард раз (109), то есть она станет 10-8 кг/м3. (Это лабораторный вакуум! Поэтому, даже приняв плотность еще в тысячу раз большей, мы с большим трудом развернем конструкцию.) Примем, что зона рассеяния всего десять метров, то есть если молекулы рабочего вещества отлетят дальше, то они не вернутся на зеркало (хотя это, конечно, и не так). Цилиндр, площадь основания которого равна кванту, а длина 10 м, будет иметь объем 25 х10-13 м3. Масса вещества в нем составит 25х10-21 кг. Масса протона 1,67х10-27 кг. То есть где-то 15 000 000 протонов на этот цилиндрик. Следовательно, падающий свет обязательно в таком объеме встретится с молекулой вещества и не раз (миллиард фотонов на 15 000 000 частиц!). Поэтому не обязательно тратить и 0,02 кг вещества в секунду  для создания расчетной радиометрической силы - ежесекундная многократность использования вещества гарантирована).

Вопрос в том, какое вещество должно быть наполнителем, ведь оно может быть полностью прозрачно для некоторых лучей, и они не окажут на него воздействия. Но солнечное излучение за пределами атмосферы Земли имеет очень широкий спектр - от жесткого ультрафиолета до радиоволн, а выбор веществ - практически бесконечен (от легко  ионизируемых - лития, натрия, цезия до трудно ионизируемых - гелия и других благородных газов или сложных органических газов, оксидов, соединений), поэтому вероятность, что поглощение именно в смеси газов произойдет очень высока.

Итак, подведем итоги.

Солнце излучает энергию, и на один квадратный метр поверхности, перпендикулярной лучам приходится около  2 кВт энергии (в околоземном пространстве). Радиометрические силы, возникающие за счет взаимодействия горячего тела с газом, в сотни тысяч раз превышают силу давления света. Вещество, отброшенное горячей поверхностью в сторону Солнца, обязательно подвергнется воздействию солнечного излучения и вернется к этой поверхности (отдав, кстати, приобретенный импульс). Если вещество вернется с большей температурой, чем оно имело при отбросе (ведь оно поглотило энергию фотона или получило импульс при возбуждении некоторого уровня), то оно не только не охладит зеркало, но и нагреет его, отдав часть своей энергии. А это еще более поднимет температуру зеркала и увеличит его тягу.

И тогда возникает вопрос - а зачем вообще терять рабочее вещество, если солнечное излучение опять загоняет его в рабочий объем? Не лучше ли создать такую конструкцию, которая обеспечит минимальное рассеяние вещества в межпланетное пространство? По крайней мере, при полете от Солнца.

Конкретную конструкцию автор представляет себе так.

Создаем цилиндр из пленки. Один торец цилиндра зачернен, с внешней стороны этот торец термоизолирован. Второй торец цилиндра прозрачен. Боковая поверхность цилиндра посеребрена или алюминизирована (зеркальна). Цилиндр герметичен (конечно же, не строго - потери столь ничтожны, что ими можно пренебречь). Прозрачным торцом (окном) цилиндр повернут в сторону Солнца.

Механизм действия таков.

Солнечные лучи проникают сквозь прозрачное окно, воздействуя частично на газ-наполнитель, частично отдавая энергию зачерненному торцу. Торец нагревается и отбрасывает молекулы газа. Беспорядочный разлет и излучение ограничивается боковой посеребренной поверхностью цилиндра. Отброшенные от зачерненного торца молекулы летят к прозрачному окну, но по пути опять встречают фотоны солнечного излучения, частично теряют энергию, частично возвращаются к зачерненному торцу. Те молекулы, которые все-таки не встретили фотоны, ударяются о прозрачное окно, что, конечно же, плохо, потому что они уменьшают тягу. Но, как мы видели, вероятность, что они встретятся с фотонами значительно выше, чем вероятность свободного пролета. С увеличением длины цилиндра и увеличением плотности газа в нем вероятность свободного пролета будет уменьшаться. Кроме того и общая энергия, захваченная рабочим объемом будет возрастать.

При полете к Солнцу цилиндр поворачивается к нему зачерненным торцом, который термоизолирован прозрачной пленкой. Происходит нагрев торца, отброс вещества, появление радиометрических сил. Чтобы избежать вылета вещества или взаимодействия его с противоположным прозрачным торцом (что сведет на нет действие сил - замкнутая система!) на этом противоположном торце устанавливаются дополнительные зеркала, свет от которых направляется внутрь цилиндра. Зеркала от давления света дают в сотни тысяч раз меньшую силу, чем получает зачерненный торец от радиометрических сил! То есть площадь этих зеркал может многократно превышать площадь зачерненного торца. Фотоны от этих дополнительных зеркал "вбивают" молекулы рабочего вещества обратно в цилиндр и гонят их к зачерненному торцу, который имеет наибольшую температуру в системе. Зачерненный торец опять нагревает (отдает энергию) подлетающим молекулам, которые получают импульс после этого в сторону, обратную Солнцу!  Процесс ежесекундно многократно повторяется.

Факт. В начале космической эры американцы запустили спутник "Эхо", который на орбите выбросил шар, наполненный парами натрия. Натрий, как известно, переходя из возбужденного состояния в нормальное излучает очень интенсивный желтый свет. Отслеживая этот шар, можно было легко определять элементы орбиты и проводить другие эксперименты. Предполагалось, что шар-спутник просуществует несколько лет. Однако солнечное излучение сбило его за несколько недель. Это можно считать косвенным доказательством большой эффективности радиометрического паруса. Современные спутники, несущие многометровые солнечные батареи, испытывают очень малое влияние солнечного излучения - это чисто солнечный парус.

Для проверки сейчас достаточно доставить на орбиту конструкцию, которую легко развернет любой космонавт при выходе в открытый космос из станции. Например, зонтик. Внутренняя часть - это максимально черная поверхность, материал подложки- термостойкий полимер. Если площадь"зонтика" будет всего 4 метра квадратных, то сила тяги составит 1,6 Н. Хорошо бы поместить в конструкцию небольшой баллон с газом, который медленно вытекает. Хотя в околоземном пространстве и так хватает газов.

Лебедев боролся с радиометрическими силами, изучая давление света. Однако и первое изучение этих сил тоже на его таланте. Возможно, первый спутник с радиометрическим парусом будет назван "Лебедев"?