Słoneczny hals
Hals to w języku żeglarzy czas przepływu żaglówki lub żaglowca między jednym a drugim zwrotem. Do halsu oczywiście niezbędny jest silny wiatr. W tym rejsie żeglarskim, o którym teraz piszemy, też najważniejszy jest wiatr, tyle że słonecznych fotonów, wywierający ciśnienie na żagiel sondy. Jeśli chodzi o napęd kosmiczny, to właśnie ta technologia – tzw. żagla słonecznego – wspaniale się rozwija i nabiera tempa. I dobrze, ponieważ jest najtańsza. Pracują nad nią, i to mocno, największe agencje kosmiczne świata: poza amerykańską NASA także japońska JAXA i europejska ESA. Żeglowanie w kosmosie staje się więc faktem i to jest wspaniała wiadomość – nie tylko dla żeglarzy.
ACS3 wkracza do akcji
Na początku września br. doniesiono, że NASA z powodzeniem przeprowadziła misję o nazwie Advanced Composite Solar Sail System, czyli Zaawansowany Kompozytowy System Żagla Słonecznego (ACS3). ACS3 wraz z niewielkim satelitą typu cubesat został wyniesiony na orbitę okołoziemską na wysokość 1000 km w kwietniu br. 29 sierpnia NASA poinformowała, że nastąpiło pomyślne rozłożenie paneli słonecznych i rozwinięcie żagla słonecznego. 5 września agencja zaprezentowała pierwsze zdjęcia rozwiniętego żagla. Od tego czasu w sprzyjających okolicznościach żagiel można nawet zobaczyć z Ziemi gołym okiem. Stworzono też specjalną aplikację, która ułatwia śledzenie ACS3 w kosmosie (do pobrania w sklepie Google Play lub App Store).
Do rozwinięcia żagla na orbicie posłużyły cztery wysięgniki, wykonane z elastycznego i wzmocnionego włóknem węglowym materiału polimerowego. Trwało to mniej więcej 25 min. Żagiel składa się z czterech identycznych trójkątnych tzw. łopatożagli, tworzących kwadrat o boku ok. 9 m, co oznacza, że łączna powierzchnia wynosi 80 m2. Wysięgniki działają podobnie jak bom w żaglówce, który łączy się z masztem i utrzymuje żagiel w napięciu. Udana operacja to duży sukces, ponieważ wiele wcześniejszych prób dokonywanych przez różne agencje kosmiczne zakończyło się fiaskiem. A dane uzyskane przez ACS3 posłużą do projektowania kompozytowych systemów żagli słonecznych na większą skalę.
Historia od Keplera
Idea zastosowania żagla słonecznego jako napędu satelitów, sond i próbników przemierzających kosmos opiera się na odkryciu słynnego niemieckiego astronoma i matematyka Johannesa Keplera (przełom XVI i XVII w.). Zaobserwował on, że światło słoneczne wpływa na powstanie ogonów komet, a nawet na kształt warkoczy oraz ich ułożenie. Dzieje się tak, gdyż promieniowanie elektromagnetyczne padające na powierzchnię ciała wywiera na nie ciśnienie. Stąd pomysł wykorzystania promieniowania słonecznego do napędu obiektów kosmicznych zaopatrzonych w żagle.
Konkretny pomysł żeglowania słonecznego sięga XIX w., gdy Félix Tisserand dostrzegł, jak silnie ciśnienie światła słonecznego i cząstek wiatru słonecznego wpływa właśnie na ogony komet. W 1924 r. Konstanty Ciołkowski zaproponował budowę dużego statku kosmicznego napędzanego za pomocą ciśnienia wywieranego przez fotony światła słonecznego. Wkrótce inny wizjoner, Friedrich Zander, wpadł na pomysł budowy dużego żagla, wykonanego z bardzo cienkiej metalizowanej powłoki. Koncepcja ta jest zdaniem wielu znawców astronautyki bardzo interesująca, a napęd sprawdziłby się nie tylko w przypadku satelitów, ale też różnych sond i próbników kosmicznych podróżujących daleko w głąb Układu Słonecznego. Mała, ale stała wartość siły napędzającej żagiel powoduje, że niesiony przezeń ładunek stopniowo przyspiesza i może uzyskać po pewnym czasie bardzo dużą prędkość – setek, a nawet tysięcy kilometrów na sekundę. Tam, gdzie oddziaływanie światła i wiatru jest już słabe, żagiel może być odrzucony, a pojazd przebędzie dalszą drogę siłą rozpędu. Jest to też najtańszy, wykorzystujący tylko energię słoneczną sposób poruszania się w Układzie Słonecznym.
Amerykanie mają na swoim koncie pionierską próbę wykorzystania czegoś w rodzaju żagla słonecznego w latach 70. XX w. w sondzie Mariner 10 podczas jej podróży do Wenus i Merkurego. Ciśnienie światła słonecznego było jedną z sił służących do kontrolowania orientacji pojazdu. Ale kolejne próby kończyły się fiaskiem. Chociaż przełomowa okazała się tu misja rosyjskiego satelity Znamya 2 z 1993 r. Planowana początkowo jako test pierwszego dużego żagla słonecznego, potem została zmieniona na próbę rozłożenia na orbicie wielkiego kosmicznego zwierciadła, które mogłoby oświetlać nocą wybrany obszar na Ziemi (chodziło o wybrany obszar Syberii). Próba po części się powiodła, gdyż Rosjanom udało się rozłożyć w kosmosie zwierciadlany rotujący żagiel o średnicy 20 m. Według obserwatorów przebywających na Ziemi dawał on światło porównywalne z blaskiem Księżyca w pełni. I choć konstrukcja deorbitowała po kilku godzinach, misja ta przekonała inżynierów, że da się w kosmosie rozłożyć wielowymiarową cienką powierzchnię, która może spełniać funkcję żagla lub zwierciadła. Potem był wspólny projekt Planetary Society i Europejskiej Agencji Kosmicznej z 2005 r.: złożony z ośmiu trójkątnych łopat żagiel o powierzchni aż 600 m2 miał być napędem sondy Cosmos-1. Została ona umieszczona w rosyjskiej rakiecie balistycznej Wołna i wystrzelona z okrętu podwodnego na Morzu Barentsa. Misja się nie powiodła z powodu awarii pierwszego członu rakiety.
Dopiero w 2010 r. japońskiej agencji kosmicznej udało się z powodzeniem wystrzelić sondę IKAROS. Jej napęd stanowił wyłącznie żagiel złożony z czterech łopat o całkowitej powierzchni aż 173 m2. Wykonano go z mieszanki poliimidów (materiału bardzo odpornego na wysokie temperatury i przeciążenia) o grubości 7 µm. Zadaniem misji było przede wszystkim udowodnienie, że taki żagiel w ogóle można w kosmosie rozłożyć, co się powiodło, a IKAROS przeleciał bardzo blisko Wenus w trakcie trwającej kilka miesięcy wyprawy. Z kolei NASA jeszcze w tym samym roku wysłała w kosmos małą sondę o nazwie NanoSail-D2, wyposażoną w żagiel o powierzchni 10 m2, wykonany z polimeru pokrytego aluminium. Jej głównym zadaniem również było potwierdzenie, że żagiel słoneczny może działać.
Żaglowce słoneczne na start
W lipcu 2019 r. z powodzeniem umieszczono na orbicie okołoziemskiej satelitę LightSail 2. Ten niepozorny obiekt wielkości pudełka do butów został zaopatrzony w imponujący żagiel wykonany z mylaru, czyli materiału ochronnego o bardzo dużej odporności na rozciąganie i wysoką temperaturę. Miał 4,5 µm grubości, 32 m2 powierzchni i składał się z czterech trójkątnych łopatożagli tworzących kwadrat. Sonda została latem 2019 r. wyniesiona na wysokość 720 km nad Ziemię i w końcu lipca zaczęła prawidłowo wykonywać manewry wznoszenia się na swojej orbicie w apogeum (czyli najdalszym punkcie oddalenia od Ziemi) i obniżania w perygeum, czyli w punkcie nam najbliższym. Zarówno podnoszenie, jak i obniżanie były nieznaczne, bo wynosiły ok. 2 km. Otrzymano jednak dowód, że da się sondą skutecznie sterować, choć żagiel to jej jedyny napęd. Pojazd pozostał na okołoziemskiej orbicie przez rok i stał się jednym z pionierów kosmicznego żeglarstwa.
LightSail 2 został skonstruowany i wysłany w kosmos przez The Planetary Society, amerykańską organizację typu non profit, założoną w 1980 r. przez kilku sławnych astronomów i astrofizyków – m.in. Carla Sagana – w celu prowadzenia zaawansowanych badań kosmicznych. W 2009 r. rozpoczęła ona program rozwoju żagli napędzanych promieniowaniem słonecznym o nazwie LightSail i po sześciu latach wystrzeliła na orbitę pierwszą zaopatrzoną w taką konstrukcję sondę LightSail 1. Chociaż udało jej się rozwinąć żagiel, kłopoty z oprogramowaniem komputerowym i łącznością przesądziły o szybkim zakończeniu misji. Ale już program LightSail 2 przebiegł bez żadnych problemów.
Jeszcze szybciej, jeszcze dalej
O wyraźnym postępie w dziedzinie kosmicznych żagli świadczy też obecna udana misja ACS3. Jeśli uda się stworzyć efektywnie działający napęd żaglowy dla dalekich wypraw kosmicznych, może to w przyszłości przestawić technikę lotów na nowe tory. Zresztą już od ponad 20 lat powstają plany, gdzie można by taki napęd wykorzystać. Jeden z najbardziej zuchwałych scenariuszy zakładał wysłanie napędzanego żaglem słonecznym pojazdu o masie 1 t w podróż do układu Alfa Centauri, znajdującego się 4,3 r.św. od Ziemi. Jest to najbliższy nam system trzech gwiazd, z których jedna, Proxima Centauri, na pewno posiada planetę typu ziemskiego, orbitującą w tzw. ekosferze, czyli odległości umożliwiającej utrzymywanie się na jej powierzchni wody w stanie ciekłym. Żagiel pojazdu musiałby mieć jednak aż 3,6 km średnicy i być z czystego aluminium o grubości 0,016 µm, co wymagałoby wyprodukowania go w kosmosie. Taki pojazd mógłby z czasem osiągnąć maksymalną prędkość nieco większą niż jedna dziesiąta prędkości światła. Czyli do układu Alfa Centauri doleciałby w mniej więcej 40 lat, pokonując ostatecznie w ciągu sekundy ok. 36 tys. km!
Wyzwaniem technologicznym jest zastosowanie w budowie żagla słonecznego materiału niezwykle cienkiego, lekkiego i jednocześnie wytrzymałego, by mógł tworzyć dużą powierzchnię. Im bowiem większy żagiel, tym lepiej. Na razie jednak nie umiemy jeszcze konstruować wielkich i cienkich żagli na Ziemi ani w kosmosie. To zdecydowanie kwestia przyszłości. Nie wiadomo także, po co mielibyśmy ogromnym nakładem kosztów i wysiłku wysyłać tonę ładunku do układu Alfa Centauri. Dzisiaj projekt taki wydaje się mocno dziwny, ale być może w przyszłości to się zmieni; gdy np. za 50 lub 100 lat stwierdzimy, że mamy jednak w układzie Alfa Centauri – zwłaszcza wokół planety okrążającej Proximę Centauri – coś ważnego do zbadania.
Wcześniej jednak sondy i próbniki o napędzie żaglowym powinny sprawdzić się w misjach do komet i asteroid oraz w eksploracji odległych rejonów Układu Słonecznego.