Wie hält man ein Sonnensegel stabil?

Sonnensegeln scheint ein einfaches Konzept zu sein – anstatt vom Wind vorangetrieben zu werden, wie bei einem typischen Segelschiff, kann ein Raumschiff hochreflektierendes Licht verwenden, das einfach vom Sonnenlicht vorangetrieben wird. Aber wie bei fast allen technischen Herausforderungen ist diese Technik viel leichter gesagt als getan. Sonnenlicht kann eine Seite eines Segels stärker nach oben lenken als die andere, wodurch sich das Schiff unerwartet dreht. Es könnten weitere unvorhergesehene Situationen eintreten, die ebenfalls katastrophale Folgen für jede Mission mit dieser Antriebstechnologie haben können.

Glücklicherweise gibt es eine Möglichkeit, diese Situationen zu berücksichtigen, obwohl dies viel Mathematik erfordert. Die Steuerungstheorie ist im Systemdesign weit verbreitet, und jetzt haben Forscher der Beihang-Universität ein Steuerungsschema entwickelt, von dem sie glauben, dass es dazu beitragen könnte, das Risiko für Sonnensegel zu minimieren.

Steuerungssysteme sind konzeptionell relativ einfach zu verstehen. Ein System hat eine Reihe von Eingängen; Im Fall eines Sonnensegels könnten diese Eingaben die Sonnenkraft sein, die von der Sonne darauf drückt, und möglicherweise die Schwerkraft eines nahe gelegenen Objekts. Dieses System hat auch Ausgänge, die der Systemdesigner steuern möchte, wie z. B. die Entfernung von diesem Objekt (wenn es sich in der Umlaufbahn befindet) oder den Winkel, in den das Sonnensegel zeigt.

Typischerweise ist das „Steuerungssystem“ der Satz mathematischer Gleichungen, die die Eingaben in das System bringen und dann bestimmen, wie andere interne Variablen zu manipulieren sind, damit die Ausgaben einen gewünschten Wert erreichen. Wenn wir beispielsweise wissen, dass die Sonnenstrahlung mit einer Kraft von 1000 N auf das Sonnensegel drückt, können wir berechnen, welche Anpassungen wir gegebenenfalls vornehmen müssten, damit die Sonde ihre Umlaufbahn beibehält.

Obwohl diese Arten von Steuerungen in allen Arten von Systemen nützlich sind, sind sie besonders nützlich in Raumfahrzeugen. Alle Raumfahrzeuge haben sie bis zu einem gewissen Grad, und es ist sicherlich nicht das erste Mal, dass jemand daran denkt, ein Steuersystem auf ein Sonnensegel-Antriebssystem anzuwenden. Es gibt jedoch einige Nachteile gegenüber den bisher entwickelten.

Um diese Nachteile zu verstehen, ist es besser, zuerst die spezifische Art der Kontrollmethodik zu verstehen, die in dem kürzlich veröffentlichten neuen Artikel verwendet wird Raumfahrt: Wissenschaft & Technologie. Diese als „Fuzzy-Logik“ bekannten Systeme stehen im Gegensatz zur standardmäßigen Booleschen Logik, die Computer (und einige Steuersysteme) verwenden. Anstelle der Einsen und Nullen der Booleschen Mathematik kann die Fuzzy-Logik jede Zahl zwischen 0 und 1 sowohl als Eingang als auch als Ausgang verwenden.

Die Verwendung unterschiedlicherer Zahlen erhöht die Komplexität erheblich, sodass normalerweise ein erheblicher Schulungsaufwand für Controller erforderlich ist, die Fuzzy-Logik verwenden. Dieses Training kann man sich ähnlich vorstellen wie bei neuronalen Netzen, einer gängigen Art von KI-Architektur. Allerdings gibt es noch nicht viele Daten über Sonnensegelsysteme, da noch nicht viele von ihnen geflogen sind. Daher wäre jedes System, das die notwendige Trainingsschwelle senken kann, ein bedeutender Fortschritt.

Anstatt dem Fuzzy-Logik-Controller Trainingsdatensätze bereitzustellen, könnte ein Systemoperator versuchen, das System vollständig zu modellieren und es unter Verwendung bekannter Parameter zu manipulieren. Dies wäre das Äquivalent zu einem „digitalen Zwilling“ des Sonnensegels, der es den Betreibern ermöglicht, im Handumdrehen neue Steuerungsschemata zu entwickeln. Laut Dr. Lin Chen und seinen Koautoren ist diese Art der aktiven Modellierung jedoch nicht hilfreich für die Lagekontrolle von Raumfahrzeugen. Also haben sie sich eine Alternative ausgedacht.

Ihre Lösung ist als Intelligent Fuzzy Logic Controller Designer bekannt, der im Wesentlichen seinen eigenen Fuzzy Logic Controller mithilfe der neuronalen Netzwerkmodellierung entwirft. Das System würde basierend auf den darin eingegebenen Parametern automatisch eine Fuzzy-Logik-Steuerung erzeugen. Diese Logiksteuerung würde es den Betreibern ermöglichen, die Lage ihres Sonnensegelsystems zu steuern.

Um diesen neuen Controller zu testen, entwickelten die Autoren ein Computermodell eines beispielhaften Sonnensegels mit vier unterschiedlichen Komponenten, einem „Kern“ eines Raumfahrzeugs, einer Box für den Controller, einem Rahmen und dem Sonnensegel selbst. Nachdem sie ihr intelligentes Controller-Design an diesem Modell getestet hatten, stellten sie erhebliche Verbesserungen in der Genauigkeit des Controllers fest, die in Steuerungssystemen außerordentlich wichtig ist, auf Kosten einer etwas langsamen Reaktionszeit, die im Umgang damit kein allzu großes Problem darstellt die Zeitskalen eines Sonnensegels. Es klingt nach einer eleganten Lösung für ein bestimmtes Problem, und hoffentlich werden sich die Solarsegel-Designer der Zukunft die Ideen aus dem Papier zu Herzen nehmen.