Koncepcja żagli kosmicznych jest znana od dawna. Żagiel kosmiczny to nic innego jak wielka płachta lekkiego i cienkiego, a zarazem wytrzymałego materiału rozpięta na lekkiej konstrukcji wykonanej z materiałów kompozytowych. Pierwsze pomysły pojawiały się już na początku XX wieku. Ojcowie astronautyki tacy jak Konstanty Ciołkowski, Fridrich Tsander czy Herman Oberth rozważali podbój kosmosu przy wykorzystaniu żagli. Jednak z powodu niewystarczających możliwości technologicznych pomysł został odłożony na przeszło 30 lat. Kiedy w roku 1958 Richard Garwin przypomniał światu ideę żagli kosmicznych w artykule opublikowanym w czasopiśmie “Jet Propulsion”, lawinowo zaczęły pojawiać się kolejne artykuły oraz pierwsze projekty budowy statków.

Żagiel “napędzany” jest przez wiatr słoneczny, a dokładniej przez przekaz pędu bombardujących jego powierzchnię fotonów. Niemniej wiatr słoneczny niesie ze sobą również naładowane cząsteczki, elektrony i protony, które powodują degradację powierzchni żagla i tym samym spadek współczynnika odbicia fotonów. Idzie za tym spadek prędkości samego statku. Nietrudno się więc domyślić, że aby przenieść ładunek z punktu A do punktu B w przestrzeni kosmicznej w możliwie jak najkrótszym czasie należy wybudować statek o możliwie jak największej efektywnej powierzchni odbijającej fotony.

Jedną z koncepcji żagla słonecznego/kosmicznego jest projekt GOSSAMER. Powstaje on przy współpracy Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) oraz Niemieckiego Centrum Badań Kosmicznych (DLR). Polski wkład to badania nad procesami degradacji w warunkach przestrzeni kosmicznej materiałów, z których zostanie wykonany żagiel. Jako materiał do budowy żagla wykorzystany zostanie kapton o grubości 7,5 mikrometrów pokryty z dwóch stron cienką warstwą aluminium (100 nanometrów). Kapton to polimer opracowany przez firmę “DuPont”. Charakteryzuje się trwałością właściwości fizycznych (np. elastyczności) w warunkach szybkich zmian temperatury. Pod wpływem silnego promieniowania protonami i elektronami wykazuje zmianę barwy z żółto-złotej na żółto-brązową.

Badania teoretyczne nad procesami degradacji materiałów prowadzane są na Uniwersytecie Zielonogórskim. Projekt GOSSAMER podzielony jest na trzy etapy: GOSSAMER-1, -2 i -3. Ideą stojącą za podzieleniem projektu na trzy niezależne etapy jest skalowalność, innymi słowy wypracowanie procedur produkcji oraz opracowanie technologii wytwarzania komponentów statku, które umożliwią w łatwy sposób wyprodukowanie żagla zarówno o małych jak i dużych rozmiarach. I tak GOSSAMER-1 to żagiel o rozmiarach 5 na 5 metrów, który zostanie wyniesiony na orbitę okołoziemską o wysokości 320 km. Planowany start misji to rok 2015. GOSSAMER-2 to żagiel o rozmiarach 20 na 20 metrów. Jego orbita okołoziemska znajdować się będzie na wysokości 500 km, start misji to 2017 rok. GOSSAMER-3 to średniej wielkości żagiel o rozmiarach 50 na 50 metrów o orbicie okołoziemskiej o wysokości około 10000 km, start misji to rok 2019.

Obecnie trwają intensywne prace nad pierwszym etapem projektu, GOSSAMER-1. Mechanizm rozpościerający materiał żagla będzie miał rozmiary 45 na 45 na 50 cm. Od niego będą odchodziły pod kątem 90 stopni cztery tuby do których będzie przymocowany sam materiał żagla.

Jedna z tub rozpościerających materiał żagla została przedstawiona na rysunku poniżej. Testy stabilności konstrukcji w warunkach zerowej grawitacji zostały przeprowadzone w samolocie Airbus A-300 “ZERO-G” i wykazały, że obecna koncepcja jest stabilna (nie ulega radykalnym odkształceniom poprzecznym) do długości około 14 m.

Tuba rozpościerająca materiał żagla.

Tuba rozpościerająca materiał żagla.

Test tuby rozpościerającej materiał żagla.

Test tuby rozpościerającej materiał żagla wykonany w samolocie Airbus A-300 ZERO-G.

Projekt GOSSAMER zrzesza dużą grupę naukowców, rozproszonych w wielu ośrodkach w Europie. Jednak dobra organizacja i dobry plan pracy pozwalają na efektywne wykorzystanie czasu jak również dostępnych zasobów. Obecne tempo prac pozwoli na umieszczenie żagla GOSSAMER-1 na orbicie okołoziemskiej na początku 2015 roku.

Autor jest doktorantem Uniwersytetu Zielonogórskiego na Wydziale Fizyki i Astronomii. Autor jest stypendystą w ramach Poddziałania 8.2.2 “Regionalne Strategie Innowacji”, Działania 8.2 “Transfer wiedzy”, Priorytetu VIII “Regionalne Kadry Gospodarki” Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa.

Autor

Maciej Sznajder