Sunday, January 22, 2017

Solar Sails

Solar sailing is a method of propulsion in space that utilizes solar radiation to accelerate a spacecraft, reducing the amount of fuel required for interplanetary missions.

The key to solar sailing is that light, though it has no mass, does have momentum! At first, this seems contradictory; the typical (Newtonian) definition of momentum that one first learns is that momentum equals mass times velocity, or p = mv (p denotes momentum). The mass m is simply a number indicating the quantity of matter in a given object, while p and v are vector quantities, having both magnitude and direction.

However, this definition of momentum is only approximate. Einstein's theory of special relativity holds that momentum, energy, and mass are all different aspects of a single quantity. The famous mass-energy equivalence E = mc2 (c is the speed of light) captures part of this relation. However, this equation is actually a special form of a more general expression for energy:



where p is momentum and m0 is the rest mass of an object (objects which are moving have additional mass and therefore additional energy by the mass energy relation). Photons, the particles of light, travel at the speed of light and are in fact never at rest. However, since objects with a nonzero rest mass can never reach the speed of light, it makes sense to classify photons as massless. Since m0 = 0, the equation reduces to E = cp, or p = E/c. Furthermore, light has energy, so it must have momentum. Different frequencies of light have different energies so photons of greater frequencies (such as X-ray or gamma ray photons) have correspondingly greater momentum.



Considering ordinary molecules for a moment, the macroscopic phenomenon of pressure (for example air pressure) emerges from individual collisions of particles with a surface such as the surface of a balloon. The average force that air molecules colliding with a surface exert is the pressure on that surface. Moreover, each of these collisions involves a transfer of momentum: a particle bouncing from a surface reverses the direction of its momentum vector so by the conservation of momentum the deflecting object also experiences a change in momentum. A similar momentum transfer occurs when light impacts a surface, creating what it known as radiation pressure.

The reason we do not feel radiation pressure whenever we enter sunlight is simply because this pressure is minute relative to the other forces we feel, dwarfed even by the force of a single tissue resting on a surface. The atmospheric pressure at sea level, around 100 pascals (Pa), is over ten billion times greater than the radiation pressure on a perfectly reflecting surface in direct sunlight on Earth (around 10 μPa = 10-5 Pa). Note that this phenomenon is distinct from what is called the solar wind, a term which refers to the stream of particles with mass constantly emanating from the Sun. These particles also exert a pressure when they collide with objects in space, but it is over a thousand times smaller than even the minute radiation pressure. Despite the apparent insignificance of radiation pressure, as in the case of ion propulsion, even small forces add to significant acceleration in space over time.



The concept of using radiation pressure as a means of propulsion is the foundation of the solar sail. Its design is simple: a large sheet of lightweight, reflective material surrounds the spacecraft payload (as in the artist's conception above). Notably, it is desirable for the sail material to reflect rather than absorb photons because this increases the acceleration of the sail.

The concept of a solar sail dates back to shortly after Maxwell's theory of electromagnetism was established in the 1860's in the works of Jules Verne. However, its first applications in spaceflight occurred almost 150 years later. Radiation pressure was used to save fuel in minor maneuvers on the MESSENGER mission and to compensate for a loss of maneuverability in the Kepler space telescope. However, the first true solar sail was IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), a spacecraft launched by the Japanese Aerospace Exploration Agency (JAXA) in 2010 to demonstrate the technology.



IKAROS's solar sail measured 20 meters across the diagonal with a reflective film only 0.0075 mm thick that incorporated 0.025 mm thick solar cells to power the telemetry and steering instruments. The orange panels around the edges of the sail steered the craft by altering their reflectance with liquid crystal reflectors. For example, if one side of the sail were made more reflective then the opposite sides, the radiation forces would differ across the sail, causing it to rotate.



Launched on May 21, 2010, the IKAROS payload weighed only 310 kg and its cylindrical body measured on 1.6 meters in diameter and 0.8 meters in height. After reaching space, it followed the above procedure to release the sail (click to enlarge). By taking advantage of the centrifugal forces on four "tip masses" at each corner of the sail, the continually rotating apparatus can expand to full diameter and remain there without any rigid structure supporting the sail. The mission was a full success, demonstrating telemetry, propulsion, navigation, and attitude control for a solar sail.

Over the following years, NASA and the Planetary Society launched their own solar sails into Earth orbit for further testing demonstration of the technology, but IKAROS remained more significant as the first interplanetary solar sail. Once in space, craft employing solar sails do not have to carry any additional fuel, greatly reducing the amount of weight necessary for interplanetary missions. These sails may soon realize their potential as an inexpensive and efficient means of exploring the Solar System.

Sources: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/relativ/relmom.html, http://kaffee.50webs.com/Science/images/KTG.origin.of.pressure.gif, http://blazelabs.com/pics/reflabstrans.gif, http://global.jaxa.jp/activity/pr/brochure/files/sat28.pdf

21 comments:

tonyon said...

CO2 + UV laser → C + O2... 3d bioprinting = Immortality = go to stars ((typewrite: interstellar travel constant acceleration))

tonyon said...

(2a)...interstellar travel constant acceleration (laser)... a light´s beam that rotates is not a light´s beam that rotates... if it would be 1 only beam even the infinitesimal centrifugal force from gyration perhaps would break the beam launching tangentially its photons at straight line, as the stone of a sling loop that breaks. The arriving light from a gyratory pulsar star is something seemed, the same that gyratory laser pointer from horizon to horizon 180º in 1 second, each beam that exits from the gyratory source is an independent light´s ray with limited length that only goes away in straight line: source on, beam starts; source turns, that beam finishes, is off, and starts-on another beam in the new direction... Photon, its mass "is believed" that is zero, but is the Photons Mass impacting against the future Space-Sail the thrust... Photon, "relativistic" Mass M = E/c²... constant h=6.626*10^-34 joules-sec... v, frequency e.g. red light=4*10^14 Hz...that photon energy E = h*v; E = (6.626*10^-34) * (4*10^14); E = 2.6504*10^-19 joules... that photon Mass M = E/c²; M = (2.6504*10^-19) / (9*10^16); M = 2.944889*10^-36 kgs... that Photon "relativistic" Mass ~29 ten-sextillionth of kg ______ 4 Screens, infinitesimal Centrifugal Force in kgs from that Photon, according to huge centrifugal G... 1: 95493 kms (96,105,971g)=2.8*10^-28 kgs (~28 hundred-thousand-quadrillionth of kg)... 2: Moon 384,403 kms (386,870,541g)=1.1*10^-27 kgs (~11 ten-thousand-quadrillionth of kg)... 3: Sun, 1.5*10^8 kms (150,962,873,002g)=4.4*10^-25 kgs (~44 hundred-quadrillionth of kg)... 4: Andromeda, 1.9*10^19 kms (913,135,316,143,368g)=2.7*10^-21 kgs (~27 ten-thousand-trillionth of kg)... When source turns, each individual laser mark on the screen has zero speed, do not moves, arrives and it vanishes, such as a light-bulbs row that they go being on and off one after another, from the first to the last hyperluminal speed, but is Not the speed of a mobile because there is Not any mobile.

tonyon said...

...viaje interestelar aceleración constante (coches eléctricos: farolas calle cargante)... Factorías de coches: ya es inadmisible diseñar como innovación nuevos sucios coches de combustión, hay que hacer y comprar Limpios Coches Eléctricos y Energía Solar... Fórmula-1 Solo de Coches Eléctricos ya y BATERÍAS DE GRAFENO que para 1000 km dan.

tonyon said...

pulsar is not light visible, is invisible radiation

tonyon said...

...interstellar travel constant acceleration (coronavirus: influenza vaccine?)... they say that influenza vaccine diminishes the effects and gravity of COVID-19... so, "while arrives its specific vaccine":EVERYBODYVACCINATIONINFLUENZA (WHO)... ((El Sistema Inmunológico reacciona a la vacuna gripe creando Anticuerpos que dañarán parcialmente el covid19 cuando llegue. Sin vacuna gripe, el coronavirus ataca a sus anchas y el sistema inmunológico puede reaccionar de forma desproporcionada produciendo Gran Inflamación que es lo que mata, por ello tratan con inmunodepresores para evitar en lo posible esa inflamación mortal. Con los Anticuerpos (the dogs) producidos en respuesta a la vacuna gripe el coronavirus (the tiger) atacado y algo debilitado no produce tanta reacción inflamatoria mortal... so, "while arrives its specific vaccine covid19": MASSIVE VACCINATION AGAINST FLU ALREADY (WHO).

tonyon said...

pulsar is not light long wave visible, is invisible radiation radio waves, X rays, gamma rays; infinitesimal centrif. force in kgf (kp) from that photon

tonyon said...

...interstellar travel constant acceleration (Katherine Johnson, "the girl" math genius que traspasó las Puertas de la Historia para entrar en la Leyenda)... sus profesores a los padres cuando aún era una niña prodigio: "en todos mis años de enseñanza nunca he visto una cabeza como la de su hija, tienen que hacerlo, tienen que ver hasta dónde llega...", "decidme donde queréis que caiga en el océano y yo os diré desde donde tenéis que lanzarlo", les decía a los científicos de la NASA cuando los primeros astronautas, a los que le iba la vida en ello, decían "que la chica haga los cálculos"... "El avión pequeño que cayó del cielo", nadie sabía entonces porque, ella descubrió y demostró matemáticamente que habían sido los vórtices de punta de ala de un avión grande que le precedía volando algo más alto, esa turbulencia de otras puntas de ala hizo que aquella avioneta se estrellara. Y hasta hoy en que la Aeronáutica sabe lo que Katherine descubrió (en el periódico que dio la noticia no mencionaron su nombre como autora). Pero como era mujer y negra, le adjudicaron el mérito a su jefe del departamento y a ella la dejaron como ayudante. Y tantos descubrimientos y cálculos de órbitas que hizo para hacer ir y volver con seguridad a los Apollo de la Luna, a los que llevó literalmenten de su mano. A Katherine Johnson le pidieron la Luna y ella no se echó atrás, con poco más que un lápiz, una regla de cálculo y una incipiente informática, que ella tenía que verificar, trazó con precisión las trayectorias que permitirían el aterrizaje... "la NASA nunca olvidará su entusiasmo, coraje y liderazgo, y los logros que no podríamos haber alcanzado sin ella"... "Katherine haz el cálculo"... (Cuando un día un funcionario fue a preguntarle al jefe por esos trabajos, este le dijo "mire hable con Katherine porque ella es en realidad la que lo hace casi todo"). No es de extrañar en un país donde sus religiosos presidentes dicen eso de "que Dios bendiga a los Estados Unidos de América" (y al resto del Mundo que lo parta un rayo), un país en el que a la casa del presidente le llaman la casa "blanca". Aunque tardíos, al fin desde 2015 reconocimientos de la NASA y la nación: Medalla Presidencial Libertad, y en Langley "Centro Katherine G. Johnson", y Medalla de Oro del Congreso. (Sus publicaciones científicas: Wikipedia Katherine Johnson (12)... Legendary Mathematician Katherine Johnson: Honor and Glory Eternals... Already must have in the Universe one star called Katherine Johnson.

tonyon said...

maravillosa Geometría Analítica, rama de la Geometría que representa las figuras geométricas, planas o tridimensionales, mediante ecuaciones y las sitúa en los ejes de coordenadas x,y,(z)... "Katherine haz el cálculo"...la respuesta de Katherine: "el punto pasa/no pasa de la re-entrada, es decir pasar de una órbita elíptica a esta trayectoria parabólica exacta con esta latitud y longitud de caída de la cápsula en el océano margen de error 30 mts²"... "Eso me ha gustado", dijo Glenn, "si ella dice que son buenos yo despego"...

tonyon said...

...interstellar travel constant acceleration (Katherine Coleman Lowe ,,,"Goble" "Johnson")... the Anglo-American daughters still they have another vindication silenced by religion: Surname Father + Surname Mother... sons too, or the Mothers do not count in their Right to put her surname to her daughters and sons. Women besides suffer the religious-imposes-humiliation lose their surname each time that get married and "change" to the her husband, how if women are a merchandise of his property; multi-Credos religious humiliating to the women how religious can, deceiving to Innocents with religion-tales. Women Intelligent and Innocents so accustomed by the religious to down the sight that to women the trees prevent to see the forest, incapables to see the lie that is religion. USA thanksgiving?, forever and ever "blessing" the table?... The unique Hallelujah that it is to listen changing its meaning is the Handel with Mozart´s arrangements... professional-religious out from the World once and for all

tonyon said...
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tonyon said...

Katherine and the analytic geometry: "for that trihedron, the algorithm of orthogonalization, I prefer it instead of the Euclidean coordinates"...

tonyon said...

"...de caída de la cápsula en el océano margen de error 20 milla², 52 km²" ((1 milla²=km 1.609344²=2.589988 km² * 20=51.79976 km²))

tonyon said...

Katherine y las órbitas elípticas "10,000 cálculos de cosenos...": e, excentricidad >0 y <1, su grado de alargamiento; e=cos B/cos a...elipse, si se define como curva cerrada de la intersección de un plano que corta a una superficie cónica sin pasar por su vértice; a, ángulo de la superficie cónica entre su eje y generatriz; B, ángulo >a y <90º entre el plano y el eje de la superficie cónica... El punto pasa/no pasa exacto cuando todavía fórmula no había para saber donde estaba porque iba a ser ella quien la inventara: "...enfocar el problema de forma numérica y no teórica...el método de Euler..." (no era lo mismo caer en cualquier sitio de la estepa cuando Yuri le preguntó a aquella asombrada anciana donde había un telf. para llamar y que vinieran a recogerlo, que tener un barco justo a lado, control de misión Friendship-7 al caer la cápsula de John Glenn en las Bahamas: "las coordenadas son exactas")... "Katherine haz el cálculo"...la respuesta de Katherine: "el punto pasa/no pasa de la re-entrada, es decir pasar de una órbita elíptica a esta trayectoria parabólica exacta, con esta latitud y longitud de caída de la cápsula en el océano margen de error 20 milla², 52 km²"... "Eso me ha gustado (I like her numbers)", dijo Glenn, "si ella dice que son buenos yo despego (if she says they´re good I´m ready to go)"

tonyon said...

...interstellar travel constant acceleration (over 30 UFOs)... 05-06-2021, 22:30 h, they come from SW and go away toward NE... apparent size as stars, in orbital trajectory over 30 UFOs white light dots equal than tenuous Sun reflected on satellites, in an Indian row equidistance maintaining in a perfect straight line all them at equal velocity as satellites ~28,000 km/h, seen from Earth Surface they go slowly and separated among them at an angle A ~3º: orbital height Adjacent Side AB supposing 300 km, Opposite Side BC, Hypotenuse AC; cos A=AB/AC; 0.9986=300/AC; AC=300/0.9986; AC=300.42 km; AC²=AB²+BC²; BC²=AC²-AB²; BC=SQR (300.42²-300²); BC=15.88 km... Over 30 Spacecrafts on Earth orbit in an Indian row separated 15 km among them toward NE... where did come they from and where did go they... What would be that?... April showers bring May flowers...

tonyon said...

News: are not UFOs, is a publicist invention of that one millonaire of the car on orbit, have light for on/off, and Starlink for Internet.

tonyon said...

...viaje interestelar (miles de G aceleración constante)... el Universo pre-Big Bang... No relativista "singularidad"; actual TEORÍA DE LAS ANILLAS CUÁNTICAS: no se puede comprimir la Materia en un punto infinitamente pequeño, el límite de compresión las anillas cuánticas son; así que un agujero negro No es un "agujero" sino una bola comprimida de Materia degradada, a partir de ahí la Relatividad comienza a caer... El pre-temprano Universo era una Esfera de Energía y fuera el Infinito Espacio Vacío... No hay 1 solo Universo Local, sino incontables Universos Locales, como un grupo de Globos que se van hinchando y algún día irán colisionando y nuevas galaxias formando, sería demasiada "casualidad" que estuviéramos justo en el aquí y ahora de un único Universo que se expande hasta quedarse tristemente desierto de estrellas y de vida...

tonyon said...

...viaje interestelar constante aceleración (la salud por el ajo y el limón)... DIARIO: jubilación, si gran Aritmética Operación a lápiz y papel hacer puede ser evitar Alzheimer (lo que no se usa se pierde) y si además un Libro de Ciencia y se aprende cada día una línea, o una palabra, y recitar todas las anteriores más la nueva, se aprenderá todo el Libro y después más Libros toda la vida (ej. Katherine Johnson, cerebro genera más neuronas nuevas incluso a 80 años edad)... Limón fina cáscara pelando ((para evitar dar "cera" pulir "cera", a cítricos les echan tóxicos fungicidas "ceras" conservantes, tiabendazol prochloraz, que los ponen brillantes; teniéndose que desaprovechar cáscara, una lástima...pero si LIMÓN es de cultivo natural ORGANIC solo lavar y ENTERO CON su beneficiosa CÁSCARA amarilla))... Zanahoria Sol y 100 grs de uvas-pasas >6 horas hidratadas en 1 Lt de Leche Desnatada (de grasa saturada nada); niñas y niños Leche Entera; nueces, levadura cerveza, sin sol muchos días suplemento vit. D, y demás alimentos total "100 grs" Proteína (de 1.5 a 2 grs x kilo peso), en salud si duelen tendones-músculos-huesos No es prematura vejez, es que No Toma suficiente Proteína, Calcio y vitamina... Obesidad, comer 1 sola vez al día en la cena, el resto del día agua, naranjas y otro Lt de Leche Desnatada, dejar el coche y mucha bicicleta carril bici. No pasar frío. Antes de levantarse 4x50 Abdominales son fundamentales. Ejercicio Cuerpo y Mente Sana. Naranja Manzana

tonyon said...

...viaje interestelar constante aceleración (la salud por el ajo y el limón)... sin fungicidas, 1 Cáscara de Naranja y un Ajo sin pelar, a la Batidora (1º con solo 2 cms de agua para triturar) con 1 Lt de Agua Templada, + Otro Lt de Agua Sola seguido, en ayunas para "2 horas" después desayunar.

tonyon said...
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tonyon said...

...viaje interestelar aceleración constante (Tierra dentro de 500 M de años)... al principio el Sol fusionando su Hidrógeno, temperatura suya, cuanto + H fusiona, + Helio se produce que al ser más pesado se va concentrando en el centro aumentando densidad, presión y temperatura del núcleo, más presión y temperatura provoca aumento fusión de H y fuerza expansiva, para no aplastarse por la mayor contracción gravitatoria de un núcleo cada vez más denso la estrella empieza cada vez a fusionar más H que antes para mantener el equilibrio contracción gravitatoria/expansión térmica acelerando su fin, aumentando así progresivamente su temperatura durante unos miles de millones de años hasta el fin del H en el núcleo que se apaga, empieza a comprimirse y durante unos cientos de millones de años la estrella se infla como gigante roja fusionando ahora H del exterior del candente núcleo que le irradia su calor, gran pérdida de masa de H y He que "vuelan" en ascendencias térmicas y son eyectados fuera por convección... el candente núcleo que sigue comprimiéndose y calentándose, al alcanzar ~10^8 ºC el núcleo se enciende empieza ya a fusionar su He: fuerte convección turbulenta que deshace la hasta ahora ordenada atmósfera que se había ido alejando con el tiempo muy lentamente del núcleo, recomponiéndola terminando la etapa de gigante roja, qudando más luminosa que antes... y entonces ya otra historia...antes durante la secuencia principal con el paso del tiempo el Sol cada vez a + ºC...

tonyon said...

...viaje interestelar aceleración constante (al paraíso)... para qué sirve vivir a 3900 mts de profundidad bajo el mar en la oscuridad de la noche eterna donde el Titanic... Si ese calamar gigante de las profundidades pudiera emerger, ver, comprender, el "alma" se le llenaría de pena si la tuviera, al ver... los verdes brotes de los árboles en el estío...las altas cumbres nevadas allá en la lejanía...el trinar de los pajarillos en el bosque...los cielos azules...los resplandecientes campos dorados iluminados por el sol... Claro que también vería... el horror del comportamiento de unos seres humanos para con otros PORQUE NO SE DAN CUENTA DE LA SUERTE QUE TENEMOS DE VIVIR EN EL PARAÍSO...