Sluneční plachta (také nazývaná lehká plachta nebo fotonová plachta ) je zařízení, které využívá tlak slunečního světla nebo laseru na zrcadlový povrch k pohonu kosmické lodi .
Je třeba rozlišovat mezi pojmy „ sluneční světlo “ ( proud fotonů , který využívá sluneční plachta) a „ sluneční vítr “ (proud elementárních částic a iontů, který se používá k letu na elektrická plachta - jiný typ vesmírné plachty ).
Myšlenka létání ve vesmíru pomocí sluneční plachty vznikla v Rusku ve dvacátých letech minulého století a patří jednomu z průkopníků raketové vědy Friedrichu Zanderovi , který vycházel z toho, že částice slunečního světla - fotony - mají impuls a přenášejí jej do jakýkoli osvětlený povrch, což vytváří tlak . Velikost tlaku slunečního světla poprvé změřil ruský fyzik Pjotr Lebeděv v roce 1900 .
Tlak slunečního světla je relativně malý (na oběžné dráze Země - asi 9·10 −6 N/m 2 ) a klesá úměrně druhé mocnině vzdálenosti od Slunce [1] . Například celková síla působící na sluneční plachtu o rozměrech 800 krát 800 metrů je asi 5 Newtonů ve vzdálenosti Země od Slunce. [2] Solární plachta může fungovat téměř neomezenou dobu a vůbec nevyžaduje spotřebu pracovní kapaliny , a proto může být v některých případech její použití výhodnější. Dodnes však žádná z kosmických lodí nepoužila sluneční plachtu jako hlavní motor kvůli extrémně nízkému tahu.
Předpokládejme, že rovinná světelná vlna s energií dopadá na stacionární ploché ideální zrcadlo o hmotnosti kolmé k jeho povrchu . Energii odražené světelné vlny označme jako , rychlost získanou zrcadlem v důsledku odrazu vlny jako . Pak zákon zachování energie: a zákon zachování hybnosti: . Z těchto rovnic můžete získat:
(jeden) (2)Z toho vyplývá, že účinnost fotonické plachty (část energie dopadající vlny přenesená do plachty) je tím větší, čím větší je poměr energie dopadající vlny ke zbývající energii plachty. Když je energie dopadající vlny mnohem větší než zbývající energie zrcadla , téměř veškerá energie vlny se přenese do zrcadla.
V druhém extrémním případě je energie dopadající vlny mnohem menší než zbývající energie zrcadla . V tomto případě ze vzorce (1) získáme: . Ze vzorce (2) získáme: . Z tohoto vzorce je vidět, že v tomto případě světelná vlna předá plachtě jen nepodstatnou část své energie [3] .
Sluneční plachta a další typy vesmírných plachet jsou plánovány pro použití v některých projektech hvězdných lodí [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] . Výhodou solárního plachtění je absence paliva na palubě, což umožňuje větší užitečné zatížení ve srovnání s kosmickou lodí s tryskovým pohonem. Koncept solární plachty však vyžaduje plachtu, která je lehká a zároveň velká na plochu.
Nevýhodou solární plachetnice je závislost zrychlení na vzdálenosti od Slunce: čím dále od Slunce , tím nižší je tlak slunečního světla a tím menší zrychlení plachty a mimo sluneční soustavu tlak slunečnímu záření a v důsledku toho se účinnost solární plachty přiblíží nule. Světelný tlak ze Slunce je poměrně malý, takže pro zvýšení zrychlení existují projekty na urychlení sluneční plachetnice s laserovými instalacemi z generátorových stanic mimo Zemi [4] [11] . Tyto projekty se potýkají s problémem přesného zaměřování laserů na ultra velké vzdálenosti a vytvoření laserových generátorů příslušného výkonu.
Geoffrey Landisnavrženo použít solární baterii pro přenos energie pomocí laseru ze základnové stanice do mezihvězdné sondy s iontovým motorem [12] [13] , což dává určitou výhodu oproti čistě vesmírné plachtě (v současné době není tento projekt realizovatelný z technických důvodů omezení) [14 ] .
V roce 1989, na počest 500. výročí objevení Ameriky, vyhlásila Kongresová komise USA soutěž o umístění několika solárních plachetnic vyvinutých v různých zemích na oběžnou dráhu a uskutečnění závodu plachetnic na Mars. Celou cestu bylo plánováno stihnout za 500 dní. Své žádosti o účast v soutěži podaly Spojené státy, Kanada, Velká Británie, Itálie, Čína, Japonsko a Sovětský svaz. Start se měl uskutečnit v roce 1992.
Zájemci o účast začali téměř okamžitě odpadávat, čelili řadě technických a ekonomických problémů. Rozpad Sovětského svazu ale nevedl k zastavení prací na domácím projektu, který měl podle vývojářů všechny šance na vítězství. Ale regata byla zrušena kvůli finančním potížím pro výroční komisi (a možná kvůli kombinaci důvodů). Velká show se nekonala. Solární plachtu ruské výroby však vytvořily (jedinou ze všech) společně NPO Energia a DKBA a získala první cenu soutěže [15] .
Sovětští vědci vynalezli schéma radiační-gravitační stabilizace kosmické lodi, založené na použití sluneční plachty [16] [17] . První nasazení sluneční plachty ve vesmíru bylo uskutečněno na ruské kosmické lodi Progress M-15 24. února 1993 v rámci projektu Znamya-2 [18] .
První kosmickou lodí, která jako motor použila vesmírnou plachtu, byla japonská IKAROS , která je považována za první vesmírnou plachetnici v historii. . 21. května 2010 Japonská vesmírná agentura (JAXA) vypustila nosnou raketu H-IIA , nesoucí kosmickou loď IKAROS se solárními plachtami a meteorologický přístroj pro studium atmosféry Venuše [ 19] . IKAROS je vybaven plachtou z nejtenčí membrány o rozměrech 14 krát 14 metrů na délku a šířku. S jeho pomocí má studovat vlastnosti pohybu vozidel pomocí slunečního světla. Na vytvoření zařízení bylo vynaloženo 16 milionů dolarů. Nasazování solární plachty začalo 3. června 2010 a úspěšně dokončeno bylo 10. června. Na základě snímků vysílaných z desky IKAROS lze usoudit, že všech 196 metrů čtverečních ultratenké tkaniny bylo úspěšně vyřešeno a tenkovrstvé solární panely začaly vyrábět energii.
Nyní v Rusku existuje konsorcium "Space Regatta", které provedlo několik experimentů se slunečními reflektory za účelem osvětlení oblastí těžby ropy a plynu. Existují také projekty na roztavení zrcadel na oběžné dráze z asteroidů.
20. května 2015 byl LightSail-1 , vůbec první soukromý satelit napájený solární energií , vyslán na testovací let z místa startu Cape Canaveral [20] [21] .