Vitorlázás a világűrben. Repülés a napsugarak „szárnyain”

Hosszú évezredekkel ezelőtt a korai ókori civilizációk tengerészei első ízben bontottak vitorlát, hogy befogva a folyók, tavak, tengerek fölött fújó szeleket, ingyen energiával tegyenek meg kisebb-nagyobb távolságokat.

Majd a földfelszín mind nagyobb területeinek megismerésére éretté vált emberiség egyre fejlettebb vitorlás hajókkal fedezte fel a világóceán minden zegzugát, a kontinensek partvonalait és a legeldugottabb szigeteket is. Ma pedig már a világűrt is „megcélozták” a vitorlákkal hajtott kozmikus járművek.

A kozmoszban természetesen nincs légkör, melyben a különböző irányokba tartó légtömegek belekapaszkodhatnának a vitorlákba. Azonban a fény, így Naprendszerünk központi égitestének, a Napnak a fénye is sugárnyomással rendelkezik, mely – akárcsak a földi szelek – előrehajthat egy erős, ám kellőképp vékony, a sugárnyomás ereje által meghajtható ún. napvitorlát. Ennek alapelvét Friedrich Cander szovjet rakétamérnök dolgozta ki a múlt század első felében, kiszámítva, hogy a napsugárzás nyomása a Nap–Föld távolságban, a vitorlára merőleges beesési szögben, a napfényt teljesen elnyelő felületek esetében mintegy 4,57 X 10-6 N/m2, a napfényt teljesen visszaverő vitorláknál pedig ez a mennyiség kétszer ekkora. A sugárnyomás által meghajtott űreszközök csak kicsiny gyorsulásra képesek, ám ez a gyorsulás folyamatos, mivel a világűrben nincs közegellenállás, nincs súrlódás, így a napvitorlások – energiabefektetés nélkül – hatalmas távolságokat tudnak beszáguldani. S még akkor is folyamatosan gyorsulnak, amikor a hagyományos kémiai hajtóművű rakétákkal fellőtt űrszondák – megtartva, de nem növelve eredeti gyorsulásukat – már csak sodródnak a térben. Tehát a napvitorlások még lassúbb gyorsulásuk mellett is idővel jóval nagyobb sebességet érhetnek el. A Voyager–1 és a Voyager–2 űrszonda harminc év alatt érte el Naprendszerünk peremvidéket. Egy ma indított s utánuk küldött napvitorlás tíz év alatt utolérné őket. S ha a Naphoz közel, a Merkúr pályáján belülről indítanák el őket, központi csillagunk közelében akkora lendületre tennének szert, hogy a jelenlegi űreszközöktől jóval gyorsabban el tudnák hagyni a Naprendszert. Ugyanakkor rövidebb távolságokra a rakétahajtóművek alkalmasabbak, mivel nagyobb a gyorsulásuk. A Föld–Hold távolságot egy kémiai hajtóművű rakétával fellőtt űrhajó három nap alatt megteszi, egy napvitorlás viszont csak hónapok alatt érne a Holdra.

napvitorla-kísérletek már évek óta tartanak. Elsőként a japánok lőtték fel egy űrrakétával Ikaros nevű napvitorlásukat, már 2010 májusában, mely a kozmoszban nyitotta ki szárnyait, s a kísérlet teljes sikert hozott. Bebizonyosodott, hogy ezek az űrjárművek csakugyan repülni tudnak a napsugarak „szárnyain”. Osamu Mori, az Ikaros-projekt vezetője kifejtette: a tervek szerint a következő küldetések során ionhajtóművekkel kombinálnák a napvitorlásokat, s míg a vitorlák energiabefektetés nélkül előrehajtanák az űrszondákat, az ionhajtóműveket a manőverezéshez használnák fel.

Ugyanabban az esztendőben az amerikaiak is feljuttatták a bolygóközi térbe a NanoSail–D névre keresztelt, 9,3 négyzetméteres vitorlásukat, melyet a Space X Falcon–1 rakétája vitt fel földkörüli pályára, s ott a vitorlás szépen kibontotta négy fátyolszerű szárnyát.

Az elmúlt évek kísérleteit követően a NASA az idén tervezi a világűrbe juttatni az eddigi legnagyobb napvitorlást, a négyzet alakú Sunjammert, melynek mindegyik oldala 38 m hosszú, teljes felülete pedig 1208 négyzetméter lesz, igazi óriás a NanoSail–D-hez képest. A vitorla vastagságát viszont mindössze öt mikrométer vastagságúra tervezik, így összecsomagolt állapotban nem lesz nagyobb, mint egy átlagos hűtőszekrény, s csupán 38 kilogrammot fog nyomni. A tervek szerint a Space X Falcon–9-es rakétája fogja feljuttatni a kozmoszba, hatalmas felülete miatt azonban nehéz feladat lesz a kibontása. A kísérlet sikere esetén a NASA szerint a közeljövőben egyre több űreszközön helyeznek majd el napvitorlát, s ezek segítségével létrehozhatnak egy űridőjárás-előrejelző hálózatot, mellyel – napkitörés esetén – az eddiginél gyorsabban tudnának riasztást leadni. Az erős napkitörések ugyanis kárt tehetnek a műholdakban. S ugyancsak a tervek között szerepel, hogy napvitorlások segítségével közelítenék és vizsgálnák meg a földközeli pályán haladó kisbolygókat. Egy napvitorlával meghajtott űrszonda egymást követően hat aszteroidát is felkereshetne, lényegesen olcsóbban, mint egy hagyományos szonda.

Napvitorlás segítségével – Roman Kezerashvili, a New York Városi Műszaki Egyetem fizikaprofesszora szerint – igazolhatnák az einsteini általános relativitáselmélet frame-dragging hipotézisét. Frame-dragging-nek, vagyis felcsavarásnak nevezik azt a hatást, mellyel a nagy tömegű égitestek – az elmélet szerint – eltorzítják, maguk felé húzzák a tér-idő szövetét. Ha egy forgó napvitorlás a Naptól 7,4 km-es távolságból közeledni kezdene központi csillagunk felé, akkor mind közelebb kerülve a Naphoz a hatalmas égitestnek olyan hatást kellene gyakorolnia a hártyavékony napvitorlára, hogy annak forgása megváltozzon, s ha ez bekövetkezne, igazolást nyerhetne a hipotézis.

Emellett sokkal gyakorlatiasabb célokra is fel lehetne használni a napvitorlásokat. A Föld körüli alacsony pályán megannyi, küldetését befejezett, kisebb „halott” műhold is kering, melyek immár űrszemétnek számítanak, és összeütközhetnek még működő űreszközökkel, veszélyeztetve azok biztonságát. Ha napvitorlát juttatnának rájuk, azok a nagyon ritka felsőlégkört kihasználva, fékezőernyőkként lelassíthatnák a használhatatlan műholdakat, melyek így hamarosan belépnének a légkörbe, ahol elégnének.