Lichtzeil
Een zonne-zeil (of lichte zeilen of fotonzeilen) is een voorgestelde methode voor de voortstuwing van een ruimtevaartuig met behulp van stralingsdruk die door het zonlicht wordt uitgeoefend. Het woord 'zeil' is naar analogie van boten die een zeil gebruiken om de wind te gebruiken om te bewegen. Het concept werd voor het eerst voorgesteld in de 17e eeuw door Johannes Kepler. Hij had een theorie dat zeilen aangepast konden worden aan "hemelse winden".
In 1865 publiceerde James Clerk Maxwell zijn theorie over elektromagnetische velden en straling. Hij liet zien dat licht (een vorm van elektromagnetische straling) een voorwerp onder druk kan zetten. Deze druk wordt stralingsdruk genoemd. Dit leverde een basis voor de wetenschap achter het zonnezeil. Zonnestraling oefent een druk uit op het zeil door reflectie en een kleine fractie die wordt geabsorbeerd.
De zonnedruk werkt op het ruimteschip, in de ruimte of in een baan rond een planeet. Een typisch ruimteschip dat naar Mars gaat, bijvoorbeeld, wordt duizenden kilometers verplaatst door de zonnedruk. De effecten worden voorspeld in de planning. Dit gebeurt al sinds de tijd van het vroege interplanetaire ruimteschip van de jaren zestig. De zonnedruk heeft ook invloed op de oriëntatie van een vaartuig, een factor die in het ontwerp van een ruimteschip is opgenomen.
Het concept van het zonnezeil werd later gebruikt als sciencefiction, zoals de werken van Jules Verne.
Hoe een zonnezeil (met een klein ruimteschip) eruit zou kunnen zien.
Een 20x20m testzeil
De theorie
Het idee van een zonnezeil is om de stralingsdruk van de zon te gebruiken om een ruimteschip te verplaatsen, waarschijnlijk met behulp van grote spiegels (grote lichtreflecterende oppervlakken). Het nadeel van de methode is dat de gegenereerde stuwkracht erg klein is. Het voordeel is dat er geen stuwstof nodig is (zolang er maar licht is). Daarom wordt het beschouwd als een mogelijke optie voor toekomstige ruimteschepen. Tot nu toe zijn alleen kleine testversies als experiment gebruikt.
De totale kracht die wordt uitgeoefend op een zonnezeil van 800 bij 800 meter is bijvoorbeeld ongeveer 5 newton (1,1 lbf) op de afstand van de aarde tot de zon, waardoor het een aandrijfsysteem met lage stuwkracht is, vergelijkbaar met een ruimtevaartuig dat wordt aangedreven door elektromotoren. Omdat het geen stuwstof gebruikt, wordt de kracht bijna constant uitgeoefend. Het collectieve effect in de loop van de tijd is groot genoeg om als een manier te worden beschouwd om een ruimteschip aan te drijven.
Geschiedenis
Plannen voor het eerste gebruik van het concept werden in de jaren zeventig gemaakt door Bruce Murray en Louis Friedman, twee onderzoekers van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië.
Op 21 mei 2010 heeft de Japanse Space Exploration Agency (JAXA) met succes het zonnezeil, de IKAROS (Interplanetary Kite-Craft Accelerated by Radiation Of The Sun) gelanceerd. Het gebruikte een zonnezeil in de ruimte tussen de Aarde en Venus. Dit was het eerste succesvolle gebruik van een zonnezeil.
In 2010 lanceerde NASA het zonne-zeilschip NANOSEL-D2. Dit was het eerste succes van NASA's zonne-zeilboot.
Op 2 juli 2019 lanceerde de Planet Society, gevestigd in de Verenigde Staten, de LightSail 2-satelliet, ontworpen met behulp van zonnezeiltechnologie. De lichtgewicht satelliet, werd gelanceerd met de Falcon Heavy raket van de SpaceX vanuit het Kennedy Space Center in Florida. Dit was een low budget missie, gefinancierd door donaties van 50.000 leden. Het totale budget was minder dan 7 miljoen USD. Eind juli 2019 opende LightSail 2 zijn zonnezeil. Het duurde ongeveer 3 minuten om dit te doen.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een zonnezeil?
A: Een zonnezeil (of lichtzeilen of fotonenzeilen) is een voorgestelde methode voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen met behulp van stralingsdruk uitgeoefend door zonlicht.
V: Wie stelde voor het eerst het concept van een zonnezeil voor?
A: Het concept werd voor het eerst voorgesteld in de 17e eeuw door Johannes Kepler.
V: Wat publiceerde James Clerk Maxwell dat de basis vormde voor de wetenschap achter het zonnezeil?
A: James Clerk Maxwell publiceerde zijn theorie over elektromagnetische velden en straling, waaruit bleek dat licht (één vorm van elektromagnetische straling) druk kan uitoefenen op een voorwerp, de zogenaamde stralingsdruk.
V: Hoe werkt zonnedruk op ruimtevaartuigen?
A: Zonnedruk werkt op ruimtevaartuigen, in de ruimte of in een baan om een planeet, waardoor zij duizenden kilometers worden verplaatst en hun oriëntatie wordt beïnvloed.
V: Wanneer werd dit effect voor het eerst in aanmerking genomen bij de planning van interplanetaire missies?
A: Dat gebeurt al sinds de eerste interplanetaire ruimtevaartuigen van de jaren zestig.
V: In welke andere contexten is het concept van een zonnezeil gebruikt?
A: Het concept zonnezeil is ook gebruikt in sciencefiction, zoals in het werk van Jules Verne.
