ScienceBits

Távolban egy napvitorla

TERMÉSZET VILÁGA

A modern tudomány szerint minden anyagnak kettős természete van: egyszerre mutat részecske- és hullámsajátságokat. A fény ebből a szempontból kivételesen fontos a fizikában, mert más hétköznapi jelenségekkel szemben mind a hullám-, mind pedig a részecskesajátságát viszonylag könnyű tanulmányozni. A fény részecskesajátságainak egyike, hogy mechanikai nyomást fejt ki arra a felületre, amelyen elnyelődik vagy visszaverődik. A fizikusok ennek a hatásnak a leírására a Maxwell−Bartoli-tételt használják, amelynek gyakori formája egy adott felszínt θ beesési szögben érő fénynyaláb által kifejtett p nyomást adja meg:

A képletben r a felület fényvisszaverő képessége (tehát annak a valószínűsége, hogy egy adott foton visszaverődik róla), míg d az áteresztőképesség. Ezen r és d számok összege soha nem lehet nagyobb 1-nél, az 1 − r − d különbség pedig pontosan megadja egy beeső foton elnyelődésének valószínűségét. Az E1 egyenletben egy mennyiséget nem definiáltunk még: w a fénysugár energiasűrűségének időbeli átlagértéke. Itt érdemes megemlíteni azt, hogy a térfogati energiasűrűség (energia/térfogat) és a nyomás (erő/felület) fizikai dimenziói megegyeznek.

Crookes-féle radiométer

A fénynyomással kapcsolatban gyakran megemlített demonstrációs eszköz a Crookes-féle radiométer vagy más néven fénymalom. Ez lényegében egy vákuumba helyezett, tű hegyére illesztett négykarú lapátos kerék, amelynek lapátjai egyik oldalukon kormozottak. A kerék napfény vagy mesterséges fény hatására is látványosan forgásba jön. Habár valójában a jelenség magyarázata meglehetősen bonyolult és benne a lapátok két oldalán kialakuló hőmérsékletkülönbség hatása a legfontosabb, a fénynyomásnak is van szerepe a mozgás létrejöttében. Fénymalmot elsőször Sir William Crookes (1832-1919) brit fizikus és kémikus készített, miután felfigyelt arra, hogy a vákuumban végzett nagy pontosságú tömegmérést a közvetlen napfény megzavarja.

A Nap, hasonlóan más csillagokhoz, igen sok fényt bocsát ki, ezért felmerül az ötlet, hogy ennek a fénynek a nyomását − a Földön vitorlázásra használt szélenergiához hasonlóan − akár űrhajók mozgatására is fel lehet használni. Egy kis félreértésre adhat okot, hogy létezik napszélnek nevezett jelenség is, de ez igazából nem a fény nyomására utal, hanem a Napból kiáramló egyéb részecskékre: elektronokra, protonokra és alfa-részecskékre. Tehát a napvitorlázás igazából nem a napszelet, hanem a napsugárzás fénynyomását használná fel.

Dooku gróf Napvitorlása a Csillagok háborúja
című filmsorozat második részében

A fényenergia ilyen típusú felhasználásának lehetőségére már Jules Verne is utal1865-ben írt, Utazás a Holdba című regényében: "Mi azonban ráérős emberek vagyunk, nekünk semmi sem sürgős: a mi sebességünk nem haladja meg a 9900 mérföldet, s ez a sebesség is egyre lassúdni fog. Kérdezem önöket: érdemes-e ezért annyira lelkesedni? Nyilvánvaló, hogy úgyis túlhaladjuk egyszer ezt a sebességet, ennél jóval nagyobb sebességet érünk majd el, valószínűleg a fény vagy a villamosság mozgatóerejének felhasználásával!" (19. fejezet, A népgyűlés)

Ezen sorok különlegessége, hogy Verne mindössze egyetlen évvel azután említi meg a fény mozgatóerejét, hogy James Clerk Maxwell (1831-1879) skót elméleti fizikus publikálta az elektromágneses sugárzásokról szóló, manapság a róla elnevezett négy egyenletben összefoglalt elméletét.

Az Interstellar Vehicle Venture Star űrhajó
az Avatar című filmben

Svante Arrhenius (1859-1927), a Nobel-díjas kémikus 1908-ban megjelent, Worlds in the making című könyvében már tudományos alapossággal is megvizsgálta a fénynyomás felhasználásának lehetőségét csillagközi utazásra. A napvitorlázás tudományos-fantasztikus filmek alkotóinak a fantáziáját is megmozgatta: a Csillagok háborúja című filmsorozat második részének végén Dooku gróf űrhajója nyit ki egy látványos vitorlát, míg James Cameron nagy sikerű, Avatar című filmjében az Interstellar Vehicle Venture Star nevű űrhajónak is van ilyen célt szolgáló, nagy felületű, tükröződő része.

Visszatérve a tudományos realitásokhoz: az E1 egyenletet érdemes részleteiben is elemezni. Minél jobban visszaveri a fényt egy felület (minél közelebb van r az 1-hez), annál nagyobb lesz a rá ható fénynyomás. Tehát az ideális vitorla egy minden ráeső sugárzást visszaverő, tökéletes tükör. A teljes hajtóerőt a nyomás és a felület szorzata adja, ezért aztán ilyen céllal minél nagyobb tükröt érdemes készíteni.

Az E1 képletben szerepel a napsugárzás energiasűrűsége (w) is: ez természetesen függ a Naptól mért távolságtól; értéke a Naprendszerben kifelé haladva gyorsan csökken. Részletes számítások szerint a Naptól d távolságban w a következőképpen adható meg:

Az E2 képletben P_Nap mennyiség a Nap által egységnyi idő alatt kisugárzott energia, vagyis a Nap fényteljesítménye (3,85∙10²⁶ W), c pedig a fénysebesség (3,00∙10⁸ m/s). A Föld átlagos távolsága a Naptól mintegy 150 millió km; ilyen távolságban a napsugárzás fénynyomása egy rá merőleges, tökéletesen tükröző felületre (r = 1 az E1 egyenletben) nagyjából 9 μPa (9∙10⁻⁶ Pa), vagyis a Föld felszínén uralkodó légköri nyomásnál mintegy tízmilliárdszor kisebb.

Elméleti napvitorlázási pályák a Naprendszerben.
1. napvitorla: 10 kg tömeg és 10.000 m² felület (napsugarakra merőleges),
2. napvitorla: 1000 kg tömeg és 100.000 m² felület (napsugarakra merőleges),
3. napvitorla: 1000 kg tömeg és 100.000 m² felület (napsugarakkal ideális szögben)

Mire elég ez a hajtóerő? Ez sok mindentől függ. Az első összehasonlítást talán a gravitációval érdemes megtenni. Az E2 képlet azt fejezi ki, hogy a fénynyomás a gravitációhoz hasonlóan a távolság négyzetével fordítottan arányosan csökken. A két törvény összehasonlításából viszonylag egyszerű kiszámolni, hogy egy 1 kg teljes tömegű napvitorlásnak ideális körülmények között 650 m² tökéletesen tükröződő felületre van szüksége ahhoz, hogy a Nap gravitációját éppen kiegyenlítse. Azonban az 1 kg tömegnek magát a vitorlát is tartalmaznia kell! Ha ezt a feltételt figyelembe vesszük, egy alumíniumból készített tükör (amelynek egyébként igen kedvezőek a visszaverési sajátságai) vastagsága legfeljebb fél mikrométer lehet, amely nagyjából huszadrésze a ma az iparban előállított legvékonyabb alufóliáénak. Ugyanakkor még fél mikrométer is nagyjából 2000 atomnyi távolságot jelent, így elvi akadálya nincsen akár még vékonyabb vitorla készítésének sem. Ha elképzelünk egy a Földről elindított, 10 kg teljes tömegű űrszondát 10.000 m² (nagyjából egy focipálya méretével megegyező) felületű vitorlával, ez a Naprendszert majdnem egyenes vonalban el tudná hagyni és bő harmincezer év alatt eljuthatna a legközelebbi csillagig, a Naptól 4,24 fényévre lévő Proxima Centauri-ig (1. napvitorla pálya). Persze a Naptól eltávolodva a fénynyomás már annyira kicsiny értékre csökken, hogy egy ilyen űrhajó két-három év után akár be is vonhatná a vitorláját...

Az IKAROS napvitorla 1:64 méretarányú modellje

A Naprendszerben való mozgáshoz azonban egyáltalán nem szükséges az, hogy a gravitációt meghaladó erők hajtsák az űrhajót. Képzeljünk el egy jóval nagyobb, 1000 kg tömegű űrszondát 100.000 m²-es vitorlával. Az 1000 kg talán nem tűnik soknak, de valójában a jelenlegi űrhajók tömegének igen nagy hányadát az üzemanyag teszi ki, amire egy napvitorlásnak nincsen szüksége. Az E1 egyenlet alapján azt gondolhatnánk, hogy a vitorlát mindig a napsugárzásra merőlegesen érdemes tartani, hiszen a beesési szög ekkor nulla, vagyis a fénynyomás és a hajtóerő így lesz maximális. Valójában ez azonban korántsem ideális: egy ilyen programozású szonda a Földről indulva még a Marsot is csak kb. 13 millió kilométerre tudná megközelíteni, elérni nem lenne esélye (2. napvitorla pálya).

A Föld óceánjain közlekedő vitorlás hajók mozgásának érdekessége, hogy nem teljes hátszélben haladnak a leghatékonyabban: az oldalszél kedvezőbb. Ugyan egészen más okokból, de ez a napvitorlásokra is érvényes: az ideális vitorla-beállítási szög pontosan félúton van az űrszonda mozgási iránya és a napsugárzás iránya között. Az előző gondolatmenetben elképzelt napvitorlás így programozva sokkal kijjebb juthat (3. napvitorla pálya). A Szaturnusz eléréséhez szűk tíz évre lenne szükség, ami első pillantásra talán soknak tűnik, de valójában a jelenlegi, üzemanyagot felhasználó meghajtáshoz képest még előrehaladást is jelentene: a Cassini-Huygens űrszondának például 17 évre volt szüksége ahhoz, hogy elérje a gyűrűiről híres bolygót.

A pályára állított Nano-SailD
Földről készített fényképe

Ugyanakkor nem szabad feledni azt sem, hogy a napvitorlázás a Naprendszeren belüli mozgásra alkalmas, a Föld felszínéről az űrbe juttatáshoz gyakorlatilag semmilyen segítséget nem jelent. Vagyis a napvitorlásokat is rakétákkal kellene kiszabadítani a Föld gravitációjából.

Természetesen a fénynyomás mozgató hatásának elvi lehetőségét a szakemberek nagyon régóta ismerik, és már jó néhány kísérlet is történt ennek felhasználására űrrepülés közben. A Vénuszt tanulmányozó Mariner 10 (1973-1975) és a Merkúr körül keringő Messenger (2004-2015) űrszondák a Naphoz viszonyított helyzetük, vagyis orientációjuk szabályozásához felhasználták a fénynyomást is, így üzemanyagot takarítottak meg, noha igazi vitorlával nem is szerelték fel őket. Ez a megoldás már csak ezért is kézenfekvő volt, mert a két szonda közelebb került a Naphoz, mint a Föld, vagyis az E1 egyenletben w értéke emiatt is nagyobb volt. A aszteroidakutatásban kiemelkedő szerepet játszó, sok üzemzavart átvészelő japán Hayabusa (2003-2010) űrszonda esetében a fény szerepe már nélkülözhetetlen volt a meghibásodok ellensúlyozására. A Himawari 6 (2005- , más néven MTSAT-1R) nevű, Föld körül keringő műholdon egy kis méretű napvitorla segíti a stabil pozíció fenntartását. 1993. február 4-én még a Mir űrállomás kozmonautái is végeztek ilyen jellegű kísérletet: sikerrel nyitották ki a Znamya 2-nek elnevezett, 20 méter széles napvitorlát, bár végül is a hajtóerő tesztelésére már nem került sor.

A Cosmos-1 tervezett felépítésen

Az első komoly űrvitorlás a Japán Űrügynökség (Japan Aerospace Exploration Agency, Jaxa) IKAROS nevű szondája; ez a Földet 2010. május 21-én hagyta el. 7,5 mikrométer vastag, poliimid típusú műanyagból készült, 14 m × 14 m-es, négyzet alakú vitorláját 2010. június 3-án sikerrel nyitotta ki, s segítségével 2010. december 8-án elérte a Vénuszt. Az IKAROS így bekerült a Guinness rekordok könyvébe, mint az első olyan eszköz, amely a fény nyomását sikeresen használta bolygóközi utazásra. Ezzel a szonda tudományos pályafutása igazából véget is ért, bár mozgását azóta is követik: jelenleg olyan Nap körüli pályán van, amelyen a keringési idő mintegy 10 hónap. Teljes eddigi működési ideje alatt az IKAROS mintegy 1500 km/h-val tudta megváltoztatni a sebességét a napvitorlának köszönhetően.

A LightSail űrszonda CubeSat típusú, majdnem
teljesen összecsomagolt állapotában

Alig néhány hónappal a japán példa után, 2010. november 19-én az amerikai űrkutatást koordináló Nemzeti Repülési és Űrhajózási Hivatal (National Aeronautics and Space Administration, NASA) állította Föld körüli pályára saját kísérleti napvitorláját, amely a NanoSail-D nevet kapta. Ez egy úgynevezett CubeSat volt, amely teljes egészében belefér egy 30 cm × 10 cm × 10 cm méretű dobozba, s tömege mindössze 4 kg. Az ilyen típusú műholdakat általában lelkes, és nagyon is hozzáértő amatőrök készítik, s nagyobb hordozórakétákkal mintegy mellékesen állítják pályára: egyik lényeges szerepük, hogy a rakéta által szállított tömeg egészen pontosan megegyezzen az előzetesen tervezettel. A NanoSail-D a Föld felszínétől 650 km-re keringett, napvitorlája pedig mintegy 10 m² felületű volt. Így a felszínen lévő nagyobb távcsövekkel fényképet is lehetett készíteni róla. A kísérletet nem terveztek túl hosszúra: az űrszonda a pályára állítás után 240 nappal visszatért a légkörbe és elégett, de előtte sok értékes információval gazdagította a napvitorlák tervezőit.

Persze nem minden eddigi kísérletet koronázott siker. A NanoSail-D első prototípusa 2008-ban a hordozórakéta üzemzavara miatt visszazuhant a Csendes-óceánba. A Carl Sagan (1934-1996) által alapított amerikai Planetary Society különösen balszerencsésnek érezheti magát, hiszen 2001-ben és 2005-ben is rakéta-meghibásodás akadályozta meg, hogy a már megépített kísérleti napvitorlásuk eljusson az űrbe. 2005-ben duplán is fájdalmas volt a veszteség, mert a műholdnak (Cosmos-1) − a többi kísérlettől eltérően − propellerszerű, lapátokból álló napvitorlát kellet volna tesztelnie.

A LightSail napvitorlája a szerelőcsarnokban

A két kudarc ellenére a Planetary Society 2009. november 9-én (éppen Carl Sagan születésének 75. évfordulóján) újabb kísérlet előkészületeit jelentette be a sajtónak. A napvitorla ezúttal a LighSail-A nevet kapta. A NanoSail-D-hez hasonlóan CubeSat méretű műhold viszonylag gyorsan el is készült, de az űrbe juttatására hosszú időn át nem volt remény, mert egyetlen olyan rakétán sem volt neki hely, amely a Földtől elég távoli pályára tudta volna állítani. A földi tesztelés közben hibákat találtak a vezérlőrendszerben, ezek kijavításához pedig idő és mindenekelőtt pénz kellett. 2013-ban aztán végre a szerencse is rámosolygott egy kicsit a LightSail-re: a NASA egy olyan programot indított, amely során CubeSat-ok pályára állítását lényegében ingyen, az űrkutatás népszerűsítéseként végzi el. Így került a LightSail-A egy Atlas-V rakétára, amelyet 2015. május 20-án indítottak el a floridai Cape Canaveral-ből, s olyan pályára állt, amelyről az előzetes előrejelzések azt mutatták, hogy a vitorla kinyitása után is tartható néhány napig, s ez bőven elegendő a tervezett tesztek elvégzéséhez.

A LightSail 32 m²-es napvitorlája Föld körüli pályán

A korábbi tapasztalatok alapján talán nem is volt meglepő, hogy nem ment minden a tervek szerint. A földi irányítás nem sokkal a pályára állás után egy szoftverhiba miatt elvesztette a kapcsolatot az űrszondával. A problémát május 31-re sikerült részben megoldani, de a hibás szoftver helyett a próbálkozások ellenére sem sikerült javított verziót feltölteni. Június 7-én kissé akadozó kommunikációval kezdték el a vitorla kinyitását, amelyet aztán már nem gátoltak újabb üzemzavarok. A vitorla teljes felülete 32 m², anyaga pedig egy Mylar márkanevű, a fényt nagyon jól visszaverő műanyag: lényegében az üdítős-ásványvizes flakonok anyagaként közismert PET (polietilén-tereftalát) egy módosított változata. A teljes vitorla négy háromszögű darabból állt össze; kinyitott állapotban a róla visszaverődő napfény által okozott élénk felvillanások szabad szemmel is jól láthatóak voltak a földfelszínről. Június 10-re meggyőződtek arról, hogy a vitorla kinyitásának bonyolult művelete sikeresen befejeződött. A várakozásoknak megfelelően feladatának befejezése után, június 14-én a szonda a légkörbe való visszatérés közben megsemmisült.

A napvitorlázás megvalósítása már eddig is sok kreatív embert foglalkoztatott, így biztosak lehetünk abban, hogy a jövőben is lehet majd hallani ilyen kísérletekről. A legközelebbi alkalomig már nem is kell olyan sokat várni: 2016 áprilisára tervezik a LightSail-A nagytestvérének, a LightSail-1-nek a pályára állítását.

2015.09.07.