LightSail 2 der Planetary Society war der Gewinner der Gizmodo Science Fair 2024, weil es die Machbarkeit der Nutzung von Photonen der Sonne als Form des Satellitenantriebs testete.
Die Frage
Kann eine Solarkreuzfahrt kleine Raumfahrzeuge effektiv antreiben und steuern, und kann dies auf kostengünstige und umweltfreundliche Weise erfolgen?
Das Ergebnis
Das LightSail 2 der Planetary Society startete im Juni 2019 und entfaltete einen Monat später ein 32 Quadratmeter großes Sonnensegel. Sonnensegel fangen Photonen von der Sonne ein, so wie herkömmliche Segel Wind einfangen, und erzeugen so kleine Impulsstöße, die das Raumschiff antreiben. Wenn ein solches Raumschiff den Widerstand der Erdatmosphäre überwinden könnte, könnte es möglicherweise sehr große Höhen erreichen.
LightSail 2 ist ein Crowdfunding-Projekt, bei dem die Planetary Society 1,24 Millionen US-Dollar an Spenden von Weltraumbegeisterten sammelt, um es zu verwirklichen. Das Raumschiff trug während des Fluges CDs mit Namen, Selfies und anderen Nachrichten von Fans.
Das Raumschiff selbst hat die Größe eines Schuhkartons und seine Segel bestehen aus ordentlich angeordnetem Mylar-Segeltuch. Im geöffneten Zustand hat der Bildschirm die Größe eines Boxrings.
Nur zwei Wochen nach dem Eintritt in den Solarkreuzfahrtmodus gewann LightSail 2 2 Meilen (3,2 Kilometer) an Höhe, was das Experiment zu einem Erfolg machte. „Wir konnten eine kontinuierliche Erhöhung unserer Orbitalhöhe nachweisen. Ich glaube, wir haben es in diesem Monat um etwa 800 Meter angehoben“, sagte David Spencer, LightSail-Projektmanager und Missionssystemmanager für die Mars Sample Return Campaign der NASA.
Während seiner Mission erlebte LightSail 2 wahre Höhen und Tiefen. Manchmal verliert der Orbiter mehrere Meter pro Tag an Höhe, manchmal gewinnt er mehrere Meter hinzu. Das Raumschiff traf atmosphärische Partikel, während es sich mit einer Geschwindigkeit von 20.000 Meilen pro Stunde (32.000 km/h) fortbewegte, was dazu führte, dass das Raumschiff langsamer wurde. Nachdem das Versuchsgerät mehrere Jahre lang die Erde umkreist hatte, begann es einen starken Höhenabfall zu erfahren, der hauptsächlich auf den atmosphärischen Widerstand zurückzuführen war.
„Es bedarf einiger subtilerer Dinge, um das Raumschiff tatsächlich steuern zu können“, sagte Spencer. „Wir stellten fest, dass unser Lagekontrollsystem einige Verzerrungen aufwies, und wir mussten sie im Laufe der Zeit modellieren und die Flugsoftwareversion aktualisieren, um sie zu ändern.“
„Das ermöglichte es uns, zwei Jahre nach Missionsstart tatsächlich unsere beste Solarkreuzfahrt der Mission durchzuführen, was interessant war, weil unsere Umlaufbahn ziemlich stark gesunken war“, fügte er hinzu.
Im November 2022 trat LightSail 2 erneut in die Erdatmosphäre ein, verglühte und beendete seine Demonstration auf dramatische Weise. Insgesamt hat die Sonde 18.000 Umlaufbahnen absolviert und eine Strecke von 5 Millionen Meilen (8 Millionen Kilometer) zurückgelegt.
Warum machen sie das?
Die Idee einer Sonnenreise entstand erstmals vor mehr als 400 Jahren, als der deutsche Astronom Johannes Kepler einen Kometen beobachtete und sich fragte, was dazu führte, dass dieser einen Schweif aus Material entwickelte, der hinter ihm über den Himmel zog. Es ist das Sonnenlicht selbst, das die Staubpartikel des Kometen antreibt und sie dadurch zerstreut. Kepler glaubt, dass Weltraumsegel eines Tages das Sonnenlicht auf die gleiche Weise einfangen könnten, wie Bootssegel den Wind nutzen.
„Licht treibt uns alle derzeit an, nur ein winziger Impuls, der von einem Lichtphoton getragen wird“, sagte Bruce Betts, Chefwissenschaftler und LightSail-Programmmanager der Planetary Society. „Wenn Sie sich im Vakuum des Weltraums befinden und ein wirklich großes, glänzendes Segel aufspannen und ein Raumschiff mit geringer Masse haben, können Sie diesen Schub nutzen und ihn nutzen, um mit dem Strahlungsdruck der Sonnenstrahlen zu segeln. ”
Einer der Gründer der Planetary Society, Louis Friedman, entwickelte ein persönliches Interesse an der solarbetriebenen Schifffahrt. Die Organisation begann Anfang der 2000er Jahre mit der Entwicklung der Technologie mit Hilfe der russischen Raumfahrtbehörde, die sie zum Bau des ersten Sonnensegels, Cosmos 1, ermutigte. Das Sonnensegel ging jedoch aufgrund des Ausfalls einer russischen Rakete im Jahr 2005 verloren. „Das Raumschiff hat es nie geschafft, den Weltraum zu erreichen. „Wir werden nie erfahren, was mit dem ursprünglichen Sonnensegel passiert ist“, sagte Jennifer Vaughn, Geschäftsführerin der Planetary Society. „Ausgehend von diesem Konzept und der Dynamik, die sich daraus entwickelt hatte, sagten wir: Versuchen wir es noch einmal, bauen wir etwas Eigenes – und das war die wahre Geburtsstunde der Idee, aus der LightSail wurde.“
LightSail 1 wurde im Mai 2015 gestartet und in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht, hatte jedoch mehrere Probleme. Ein Softwarefehler führte dazu, dass der erste Versuch, den Sonnenschutz zu installieren, fehlschlug. Obwohl es LightSail 1 schließlich gelang, sein Segel auszufahren, führte der atmosphärische Widerstand dazu, dass es versagte und das Raumschiff nicht wie vorgesehen durch die Umlaufbahn segeln konnte. Die Mission Ende mit dem Wiedereintritt der Raumsonde am 15. Juni 2015.
Das Team wollte es noch einmal versuchen und dieses Mal die Cubesat-Technologie (die sich damals noch in der Entwicklung befand) mit Sonnensegeln kombinieren. „Die Chance für uns bestand darin, dachten wir: Können wir Cubesat-Technologie und Lichtsegeltechnologie als Antriebsmethode kombinieren?“ sagte Vaughn. „Das ist also die große neue Idee rund um LightSail 2: Können wir etwas bauen, das wir tatsächlich im Weltraum steuern können?“
So wurde LightSail 2 geboren. Diesem Raumschiff gelang es, allein das Sonnenlicht zu nutzen, um seine Umlaufbahn zu ändern, ohne dass Triebwerke oder Triebwerke erforderlich waren. Im Gegensatz zu chemischen Raketen, die kleine Impulsstöße erzeugen, erzeugen Sonnensegel kleine, kontinuierliche Schubkräfte, die mit der Zeit auf höhere Geschwindigkeiten ansteigen können. Darüber hinaus müssen herkömmliche Raumfahrzeuge Treibstoff in die Umlaufbahn befördern (was mehr Gewicht und Kosten bedeutet), während das Sonnenlicht unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung steht.
„Sonnensegel sind eine der wenigen Technologien, die es Raumfahrzeugen ermöglichen könnten, die äußeren Bereiche unseres Sonnensystems zu erreichen oder sogar interstellare Reisen zu unternehmen, und zwar in einem Zeitrahmen, der der menschlichen Lebensspanne entspricht“, sagte Spencer.
Warum sie Gewinner sind
Solarbetriebene Kreuzfahrten basieren auf einer einfachen Idee: Sie nutzen die durch Licht erzeugten Energiepakete und nutzen sie, um ein Raumschiff voranzutreiben. Allerdings ist die Umsetzung deutlich komplizierter, was die Leistungen von LightSail 2 so beeindruckend macht.
Der Impuls, den Raumfahrzeuge von der Sonne erhalten, ist sehr gering, daher ist es sehr schwierig, ihn zu steigern, und der atmosphärische Widerstand behindert einen solchen Fortschritt immer. „Ich denke, die Herausforderung war größer als ich erwartet hatte“, sagte Spencer. „Wir müssen einige dieser Herausforderungen bewältigen, damit sich nachhaltige Umlaufbahnen im Laufe der Zeit verbessern.“
Das Team arbeitete mit einem „sehr begrenzten Budget“, wie es es nannte. „Es war unser größtes Projekt, aber die dafür verfügbaren Ressourcen waren sehr begrenzt“, sagte Betts. „Nachdem wir es geschafft hatten, waren die Ergebnisse unglaublich und bleiben erhalten.“
Was kommt als nächstes?
LightSail 2 ist zwar in der Erdatmosphäre verglüht, aber sein Erbe hat mehrere andere Missionen inspiriert, darunter Die NEA Scouts der NASA Mission zu erdnahen Asteroiden, Das Advanced Composite Solar Sail System der NASA um Segelbaummaterialien in der Erdumlaufbahn zu testen, und NASA-Solarkreuzer (geplanter Start im Jahr 2025).
Allerdings wird es für LightSail 2 zum jetzigen Zeitpunkt noch keinen eigenen Nachfolger geben. Das Team hinter der Mission hängt seine Sonnensegel auf und hat keine Pläne für eine LightSail-3-Mission. Allerdings wird es wahrscheinlich bald eine weitere spannende Mission geben, da die Planetary Society alle zwei Jahre eine Ausschreibung für Vorschläge veröffentlicht, auf der sie nach neuen Innovationen sucht Ideen zum Testen.
Tim
Bruce Betts, LightSail-Programmmanager; David Spencer, LightSail 2-Projektmanager; Jennifer Vaughn, Geschäftsführerin der Planetary Society.
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