Güneş yelkeni

Güneş yelkeni (İngilizce solar sail; ışık yelkeni ya da foton yelkeni de denir), Güneş ışığının yüzeylere uyguladığı basıncı itki olarak kullanan uzay aracı yöntemidir. Aracın yanında çok geniş, çok ince ve yansıtıcı bir yelken bulunur. Roket motoru gibi yakıt yakmaz; yelken ışığı tuttukça araç çok küçük ama hiç kesilmeyen bir kuvvetle hızlanır.

Nasıl işler?

Işığın kütlesi yoktur, ama momentumu vardır. Bir fotonun momentumu dalga boyuna bağlıdır (p = h/λ). Yelkene çarpan ışık yüzey tarafından yutulursa momentumunu yelkene aktarır. Yüzey ışığı geri yansıtırsa foton yön değiştirdiği için yelken iki kat itilir. Bu yüzden yelkenler ayna gibi parlak kaplanır; yaygın yapı, ince bir polimer filmin üzerine alüminyum kaplamadır (örneğin 2 mikrometrelik Kapton).

Güneş'ten Dünya'nın uzaklığında (1 astronomik birim) ışınım basıncı, kusursuz yutucu bir yüzeyde metrekare başına yaklaşık 4,54 mikronewton, kusursuz yansıtıcı bir yüzeyde ise 9,08 mikronewtondur. Gerçek bir yelken için yüzde 90 verim varsayıldığında bu değer yaklaşık 8,17 µN/m² olur. Yani kuvvet son derece küçüktür; yelkeni işe yarar kılan şey, kütlesine göre çok büyük bir alana sahip olması ve itkinin aylar, yıllar boyunca sürmesidir. Basınç, ışığın yoğunluğu gibi Güneş'ten uzaklaştıkça azalır. Yelkenin yönü değiştirilerek itkinin yönü ayarlanır; böylece araç, Güneş çevresindeki yörüngesinin ölçüsünü değiştirebilir. Bu, delta-v harcamadan yön değiştirmenin yakıtsız bir yoludur.

Gerçek görevler

• IKAROS (JAXA, 2010): Mayıs 2010'da H-IIA roketiyle fırlatıldı ve gezegenler arası uzayda yelken itkisini başarıyla gösteren ilk uzay aracı oldu. Kare yelkenin köşegeni 20 metredir; 7,5 mikrometre kalınlığında poliimid filmden yapılmıştır ve yaklaşık 196 metrekare alanı vardır. Yelkenin içine ince film güneş pilleri gömülmüştür. Yansıtıcılığı elektrikle değiştirilebilen 80 sıvı kristal panel de aracın yönünü ışınım basıncıyla ayarlamaya yarar. Ölçülen ışınım basıncı itkisi 1,12 milinewton olarak bildirildi. IKAROS 8 Aralık 2010'da Venüs'ün yanından 80.800 kilometre uzaklıkla geçti; Ağustos 2013'e gelindiğinde hızı yalnızca yelkenin itkisiyle yaklaşık 400 m/s değişmişti.
• NanoSail-D2 (NASA, 2010): 19 Kasım 2010'da fırlatılan, yaklaşık 9,3 metrekarelik küçük bir yelkendi ve alçak Dünya yörüngesinde sınandı.
• LightSail 1 ve LightSail 2 (The Planetary Society): LightSail 1, 20 Mayıs 2015'te fırlatıldı; sistem denemesi içindi ve yelken itkisini gösterecek yüksekliğe ulaşmadı. LightSail 2, 25 Haziran 2019'da Falcon Heavy ile fırlatıldı. 30 × 10 × 10 santimetrelik bir 3U küp uydu olan aracın 32 metrekarelik yelkeni 23 Temmuz 2019'da 720 kilometrenin üzerindeki bir yörüngede açıldı. Ekip yelkenin yönünü ayarlayarak alçak Dünya yörüngesindeki aracın yörüngesini ölçülebilir miktarda yükseltti. Araç 17 Kasım 2022'de atmosfere girdi.
• ACS3 (NASA, 2024): 23 Nisan 2024'te fırlatılan bu teknoloji gösterisinin yelkeni yaklaşık 80 metrekaredir. Yelkeni geren kollar polimer ve karbon fiberden yapılır, ölçü şeridi gibi sarılabilir ve NASA'ya göre önceki tasarımlardan yüzde 75 daha hafiftir. Yelken Ağustos 2024'te açıldı.

Her zaman iyi sonuçlanmadı: Cosmos 1, 2005'te fırlatma roketinin arızası yüzünden yörüngeye ulaşamadı.

Verileri göster

NanoSail-D2	9,3
LightSail 2	32
ACS3	80
IKAROS	196

Sınırları ve sık karıştırılanlar

• Güneş yelkeni ile Güneş rüzgârı: Yelkeni iten şey ışığın basıncıdır; Güneş rüzgârı ise Güneş'ten savrulan yüklü parçacıkların akışıdır. İsim benzerliği yanıltır.
• Yelken ile iyon motoru: İyon motoru elektrikle hızlandırdığı bir itici gazı dışarı atar ve gaz tüketir. Yelken ise itici gaz taşımaz; kuvveti doğrudan ışıktan alır.
• "Bedava yolculuk" değil: Yelkenli araçlar da bir roketle fırlatılır; örneklerin tamamında böyle oldu. Yelken yalnızca uzaya çıktıktan sonraki itkiyi yakıtsız verir.
• Hızlı değil, sabırlı: İvme çok küçüktür. IKAROS'un yaklaşık 400 m/s kazanması yıllar sürdü. Yelkenin avantajı hız değil, yakıtın bitmemesidir.