Jeder weiß, dass Sonnenenergie hier auf der Erde kostenlos und nahezu unbegrenzt ist. Das Gleiche gilt für Raumfahrzeuge, die im inneren Sonnensystem operieren. Aber im Weltraum kann die Sonne mehr als nur elektrische Energie liefern; Es strahlt auch einen nicht enden wollenden Strom von Sonnenwind aus.
Sonnensegel können diesen Wind nutzen und als Antrieb für Raumfahrzeuge dienen. Die NASA ist dabei, ein neues Sonnensegel-Design zu testen, das Sonnensegel noch effektiver machen kann.
Der Sonnendruck durchdringt das gesamte Sonnensystem. Mit der Entfernung wird es schwächer, aber es ist vorhanden. Es betrifft alle Raumfahrzeuge, einschließlich Satelliten. Es wirkt sich dramatisch auf Raumflüge mit längerer Dauer aus. Ein Raumschiff auf einer Mission zum Mars kann während seiner Reise durch den Sonnendruck um Tausende von Kilometern vom Kurs abweichen. Der Druck beeinflusst auch die Ausrichtung eines Raumfahrzeugs und sie sind darauf ausgelegt, damit umzugehen.
Obwohl es ein Hindernis ist, kann der Sonnendruck zu unserem Vorteil genutzt werden.
Einige Sonnensegel-Raumschiffe wurden gestartet und getestet, beginnend mit der japanischen Raumsonde Ikaros im Jahr 2010. Ikaros hat bewiesen, dass der Strahlungsdruck der Sonne in Form von Photonen zur Steuerung eines Raumschiffs genutzt werden kann. Das neueste Sonnensegel-Raumschiff ist LightSail 2 der Planetary Society, das 2019 gestartet wurde. LightSail 2 war eine erfolgreiche Mission, die über drei Jahre dauerte.
Sonnensegel-Raumfahrzeuge haben gegenüber anderen Raumfahrzeugen einige Vorteile. Ihre Antriebssysteme sind extrem leicht und es geht ihnen nie der Treibstoff aus. Sonnensegel-Raumschiffe können Missionen kostengünstiger als andere Raumschiffe durchführen und länger halten, obwohl sie Einschränkungen haben.
Das Solarsegel-Konzept hat sich inzwischen bewährt, aber die Technologie muss weiterentwickelt werden, damit es wirklich effektiv ist. Ein entscheidender Teil eines Sonnensegel-Raumfahrzeugs sind seine Ausleger. Ausleger stützen das Segelmaterial; Je leichter und stärker sie sind, desto effektiver wird das Raumschiff sein. Obwohl Sonnensegel viel leichter sind als andere Raumfahrzeuge, ist das Gewicht der Ausleger immer noch ein Hindernis.
„Ausleger waren in der Regel entweder schwer und metallisch oder aus leichtem Verbundwerkstoff mit einem sperrigen Design – beides funktionierte für die heutigen kleinen Raumfahrzeuge nicht gut.“
Keats Wilkie, ACS3-Hauptforscher, NASA
Die NASA ist dabei, ein neues Sonnensegeldesign mit einer besseren Stützstruktur auf den Markt zu bringen. Es heißt Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) und ist steifer und leichter als frühere Auslegerkonstruktionen. Es besteht aus Kohlefaser und flexiblen Polymeren.
Obwohl Solarsegel viele Vorteile haben, haben sie auch einen entscheidenden Nachteil. Sie werden als kleine Pakete auf den Markt gebracht, die entfaltet werden müssen, bevor sie wirken. Diese Operation kann voller Schwierigkeiten sein und Stress für das arme Bodenpersonal hervorrufen, das abwarten muss, ob die Operation gelingt.
ACS3 wird mit einem von NanoAvionics gebauten CubeSat mit zwölf Einheiten (12U) starten. Das Hauptziel besteht darin, die Auslösung des Auslegers zu demonstrieren, aber das ACS3-Team hofft auch, dass die Mission beweisen wird, dass ihr Sonnensegel-Raumschiff funktioniert.
Um die Richtung zu ändern, stellt das Raumschiff seine Segel aus. Wenn die Auslösung des Auslegers erfolgreich ist, hofft das ACS3-Team, einige Manöver mit dem Raumschiff durchführen zu können, indem es die Segel ausrichtet und die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs ändert. Ziel ist es, größere Segel zu bauen, die mehr Schub erzeugen können.
„Die Hoffnung ist, dass die neuen Technologien, die auf diesem Raumschiff verifiziert wurden, andere dazu inspirieren werden, sie auf eine Weise zu nutzen, an die wir noch nicht einmal gedacht haben.“
Alan Rhodes, leitender ACS3-Systemingenieur, Ames Research Center der NASA
Das ACS3-Auslegerdesign wurde entwickelt, um ein Problem mit Auslegern zu lösen: Sie sind entweder schwer und schlank oder leicht und sperrig.
„Ausleger waren in der Regel entweder schwer und metallisch oder aus leichtem Verbundwerkstoff mit einem sperrigen Design – beides funktionierte für die heutigen kleinen Raumfahrzeuge nicht gut“, sagte Keats Wilkie von der NASA. Wilke ist der ACS3-Hauptforscher am Langley Research Center. „Solarsegel benötigen sehr große, stabile und leichte Ausleger, die sich kompakt zusammenfalten lassen. Die Ausleger dieses Segels sind röhrenförmig und können flach zusammengedrückt und wie ein Maßband zu einem kleinen Paket zusammengerollt werden. Dabei bieten sie alle Vorteile von Verbundwerkstoffen, wie z. B. weniger Biegen und Durchbiegen bei Temperaturänderungen.“
ACS3 wird mit einer Electron-Rakete vom Startkomplex des Rocket Lab in Neuseeland gestartet. Es wird auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn in 1.000 km (600 Meilen) Höhe über der Erde zusteuern. Sobald das Raumschiff ankommt, rollt es seine Ausleger aus und setzt sein Segel aus. Bei einer Photonensammelfläche von 80 Quadratmetern oder etwa 860 Quadratfuß wird das Ausfahren des Segels etwa 25 Minuten dauern. Das ist viel größer als Light Sail 2, das eine Segelfläche von 32 Quadratmetern oder etwa 340 Quadratfuß hatte.
Während es sich entfaltet, werden Kameras auf dem Raumschiff die Form und Symmetrie beobachten und überwachen. Die Daten aus den Manövern werden in zukünftige Segeldesigns einfließen.
„Sieben Meter der ausfahrbaren Ausleger können in eine Form gerollt werden, die in Ihre Hand passt“, sagte Alan Rhodes, der leitende Systemingenieur der Mission am Ames Research Center der NASA. „Die Hoffnung ist, dass die neuen Technologien, die auf diesem Raumschiff verifiziert wurden, andere dazu inspirieren werden, sie auf eine Weise zu nutzen, an die wir noch nicht einmal gedacht haben.“
ACS3 ist Teil des Small Spacecraft Technology-Programms der NASA. Das Programm zielt darauf ab, kleine Missionen schnell durchzuführen, die einzigartige Fähigkeiten unter Beweis stellen. Mit einzigartigen Verbund- und Kohlefaserauslegern hat das ACS3-System das Potenzial, Segel mit einer Größe von bis zu 2.000 Quadratmetern oder etwa 21.500 Quadratfuß zu tragen. Das ist etwa die Hälfte der Fläche eines Fußballfeldes. (Oder, wie unsere britischen Freunde es fälschlicherweise nennen, ein Fußballfeld.)
Mit großen Segeln ändern sich die Arten von Missionen, die sie antreiben können. Während Sonnensegel bisher nur kleine Demonstrationsmodelle waren, kann das System möglicherweise einige ernsthafte wissenschaftliche Missionen vorantreiben.
„Die Sonne wird Milliarden Jahre lang weiter brennen, wir haben also eine unbegrenzte Antriebsquelle. Anstatt riesige Treibstofftanks für zukünftige Missionen zu starten, können wir größere Segel starten, die bereits verfügbaren „Treibstoff“ nutzen“, sagte Rhodes. „Wir werden ein System demonstrieren, das diese reichlich vorhandene Ressource nutzt, um die nächsten großen Schritte in der Erforschung und Wissenschaft zu unternehmen.“
Sonnensegel-Raumschiffe haben nicht den sofortigen Schub, den chemische oder elektrische Antriebssysteme haben. Aber der Schub ist konstant und schwankt nie wirklich. Sie können Dinge tun, die anderen Raumfahrzeugen schwer fallen, wie zum Beispiel einzigartige Positionen einnehmen, die es ihnen ermöglichen, die Sonne zu untersuchen. Sie können als Frühwarnsysteme für koronale Massenauswürfe und Sonnenstürme dienen, die Gefahren mit sich bringen.
Die neuen Komposit-Ausleger haben auch andere Einsatzmöglichkeiten. Da sie so leicht, stark und kompakt sind, könnten sie als strukturelles Gerüst für Lebensräume auf Mond und Mars dienen. Sie könnten auch zur Unterstützung anderer Strukturen wie Kommunikationssystemen verwendet werden. Wenn das System funktioniert, wer weiß, welchen anderen Anwendungen es dienen könnte?
„Diese Technologie beflügelt die Fantasie, stellt die gesamte Idee des Segelns neu dar und wendet sie auf die Raumfahrt an“, sagte Rudy Aquilina, Projektmanager der Sonnensegelmission bei NASA Ames. „Die Demonstration der Fähigkeiten von Sonnensegeln und leichten Verbundauslegern ist der nächste Schritt bei der Nutzung dieser Technologie als Inspiration für zukünftige Missionen.“
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