Weergave van stralingsdruk in elektrodynamica
James Clerk Maxwell - op wie de
basisvergelijkingen van de elektrodynamica
teruggaan - had in 1873 al aangetoond dat elektromagnetische golven druk uitoefenen op
oppervlakken. De waarde van de stralingsdruk - hier gegeven zonder bewijs - is gelijk aan de
energiedichtheid van de elektromagnetische golven, wat we al hebben laten zien in
supplement 1.4:
In dezelfde optelling resulteert het product van de lichtsnelheid en de energiedichtheid in
de Poyntingvector , die
de kracht van de golf per oppervlak weergeeft. Het quotiënt van de grootte van de
Poyntingvector en de lichtsnelheid komt dus overeen met de stralingsdruk. Voor absorberende
deeltjes volgt weer:
Opdracht 1: De stralingsdruk van zonnestraling
↓
↑
-
Hoofdstuk 3, paragraaf Klimaat
en klimaatverandering, laat zien dat de bestralingssterkte van zonnestraling aan
de buitenrand van de aardatmosfeer 1361 W/m² is; dit is de zogenaamde
zonneconstante. Hoe groot is de stralingsdruk van zonnestraling?
-
Verminderd door absorptie en verstrooiing door de luchtmoleculen bereikt ongeveer 65%
van de zonnestraling die aanwezig is aan de buitenrand van de atmosfeer het
aardoppervlak op een wolkenvrije dag. Vergelijk de stralingsdruk hier met de luchtdruk
op zeeniveau, die gemiddeld 1013 hPa bedraagt.
-
De specifieke straling van de fotosfeer van de zon wordt ook berekend in
hoofdstuk 3, paragraaf Klimaat en
klimaatverandering. De fotosfeer is het gebied van de zonneatmosfeer waarin de
zonnestraling die de ruimte in wordt gestuurd, wordt opgewekt. Deze bedraagt 62,9 MW/m².
Wat is de waarde van de stralingsdruk daar?
-
Ruimtevaartorganisaties onderzoeken hoe stralingsdruk kan worden gebruikt om
ruimtevaartuigen voort te stuwen. Hoewel de versnelling die haalbaar is met een
reflecterend zonnezeil te laag is voor bemande ruimtevluchten, zou het
langetermijnmissies van kleine onbemande satellieten mogelijk moeten maken zonder
extra voortstuwing.
Een uitdaging is het ontwikkelen van materialen voor lichtgewicht maar robuuste
zeilen en de mechanische structuren om ze in de ruimte in te zetten.
NASA's laatste poging (laatste oproep: 16 april 2025) is
om een sonde met een totale massa van 16 kg voort te stuwen met behulp van een zeil van 80 m².
De baan van de aarde moet gesynchroniseerd zijn met de zon zodat de zon het zeil altijd
verticaal verlicht met de zonneconstante van 1361 W/m².
Bereken de haalbare versnelling.
Controleer je resultaten op deze pagina!
Werkblad 1.2: Komeetstaarten
Vul je kennis over stralingsdruk aan met
werkblad 1.2:
Komeetstaarten.
