شراع شمسي

تعتمد معظم الأشرعة الشمسية على الانعكاس . ^{[ 21 ]} سطح الشراع عاكس للغاية، كالمرآة ، والضوء المنعكس عنه يولد قوة. ومن أهم القيود، التي تؤثر عمليًا على كفاءة مسارات الشراع، أن اتجاه قوة الدفع وقوتها مرتبطان ، وبالتالي لا يمكن التحكم بهما بشكل مستقل.

في عام ٢٠١٨، اقتُرح استخدام حيود الضوء كآلية دفع بديلة للأشرعة الشمسية. تعتمد هذه الآلية على استخدام مادة مزودة بشبكة حيود قابلة للتعديل لتوجيه الضوء الساقط بزاوية محددة. يُزيل هذا التصميم ارتباط اتجاه وقوة الدفع، مما يسمح بتعديل قوة الدفع بسرعة أكبر مقارنةً بالأشرعة العاكسة (التي تتطلب إمالة بزوايا مختلفة للتحكم بها). مع ذلك، لا تزال تقنية مادة الشراع المستخدمة أقل نضجًا من الأشرعة العاكسة. ^{[ ٢٢ ] [ ٢٣ ]}

تم اقتراح معالجة اقتران الاتجاه والدفع، الذي يُلاحظ في الشراع الشمسي العاكس، باستخدام دافع فوتوني شمسي . ^{[ 24 ]} يستخدم هذا النظام أيضًا غشاءً عاكسًا، ولكن على عكس الشراع الشمسي التقليدي، يوجه الغشاء الإشعاع الوارد إلى مرآة صغيرة مُجمِّعة. توجه المرآة المُجمِّعة هذا الإشعاع إلى مرآة عاكسة، يؤثر اتجاهها على اتجاه حزمة الإشعاع الخارجة، وبالتالي على اتجاه الدفع. وهكذا، لا يتم التحكم في اتجاه الدفع بتدوير العاكس بأكمله، بل بتدوير مرآة صغيرة تم تركيز هذا الإشعاع عليها. مع أن هذا لا يُزيل تمامًا اقتران مقدار واتجاه الدفع، إلا أنه يعني أن الدفع يتناسب مع جيب تمام اتجاهه، وليس مع مربع جيب تمامه، وهو تغيير يزيد من مقدار الدفع المتاح عند جميع الزوايا. ^{[ 25 ]}

اقترح بيكا يانهونين من معهد أبحاث الفضاء (FMI) نوعًا من الأشرعة الشمسية يُسمى الشراع الكهربائي للرياح الشمسية . ^{[ 26 ]} يختلف هذا النوع ميكانيكيًا اختلافًا كبيرًا عن تصميم الشراع الشمسي التقليدي. إذ تُستبدل الأشرعة بأسلاك موصلة مستقيمة تُوضع شعاعيًا حول المركبة. تُشحن هذه الأسلاك كهربائيًا لتوليد مجال كهربائي حولها، يمتد لبضعة عشرات من الأمتار داخل بلازما الرياح الشمسية المحيطة. ينعكس البروتونات الشمسية بفعل هذا المجال الكهربائي (كما هو الحال مع الفوتونات في الشراع الشمسي التقليدي). يُستمد نصف قطر الشراع من المجال الكهربائي وليس من السلك نفسه، مما يجعله أخف وزنًا. كما يُمكن توجيه المركبة عن طريق تنظيم الشحنة الكهربائية للأسلاك. يتكون الشراع الكهربائي العملي من 50 إلى 100 سلك مستقيم، يبلغ طول  كل منها حوالي 20 كيلومترًا. ^{[ 27 ]}

يمكن للأشرعة الشمسية الكهربائية تعديل مجالاتها الكهروستاتيكية وأوضاعها.

يمكن استخدام الرياح الشمسية أيضاً في الشراع المغناطيسي . إلا أن المجال المغناطيسي يحرف الجسيمات المشحونة كهربائياً في الرياح. ويستخدم هذا النوع من الشراع حلقات سلكية، ويمرر تياراً ثابتاً عبرها بدلاً من تطبيق جهد ثابت. ^{[ 28 ]}

جميع هذه التصاميم قابلة للمناورة، على الرغم من اختلاف آلياتها.

تعمل الأشرعة المغناطيسية على ثني مسار البروتونات المشحونة الموجودة في الرياح الشمسية . ومن خلال تغيير وضعيات الأشرعة وحجم المجالات المغناطيسية، يمكنها تغيير مقدار واتجاه الدفع.

تنشأ القوة المؤثرة على الشراع الشمسي من زخم الفوتونات. ويُعطى زخم الفوتون أو التدفق الكلي بواسطة علاقة أينشتاين : ^{[ 29 ] [ 30 ]}

${\displaystyle p=E/c}$

حيث p هي كمية الحركة، وE هي الطاقة (للفوتون أو التدفق)، وc هي سرعة الضوء . وبالتحديد، تعتمد كمية حركة الفوتون على طول موجته p = h/λ

يمكن ربط ضغط الإشعاع الشمسي بقيمة الإشعاع ( الثابت الشمسي ) البالغة 1361  واط/م ² عند 1 وحدة فلكية (مسافة الأرض والشمس)، كما تم تعديلها في عام 2011: ^{[ 31 ]} 

• الامتصاص المثالي: F = 4.54  ميكرونيوتن لكل متر مربع (4.54  ميكروباسكال ) في اتجاه الشعاع الساقط ( تصادم غير مرن تمامًا )
• انعكاس مثالي: F = 9.08  ميكرونيوتن لكل متر مربع (9.08  ميكروباسكال) في الاتجاه العمودي على السطح ( تصادم مرن )

الشراع المثالي مسطح ويعكس الضوء بشكل كامل بنسبة 100% . أما الشراع الفعلي، فتكون كفاءته الإجمالية حوالي 90%، أي ما يعادل 8.17  ميكرونيوتن/م² ^{تقريبًا} ، ^{[ 30 ]} وذلك بسبب الانحناء (التموج)، والتجاعيد، والامتصاص، وإعادة الإشعاع من الأمام والخلف، والتأثيرات غير المنتظمة، وعوامل أخرى.

تتغير القوة المؤثرة على الشراع والتسارع الفعلي للمركبة عكسيًا بمربع المسافة من الشمس (إلا إذا كانت قريبة جدًا من الشمس ^{[ 32 ]} )، وبمربع جيب تمام الزاوية بين متجه قوة الشراع والشعاع المتجه من الشمس، لذلك

${\displaystyle F=F_{0}\cos ^{2}(\theta )/R^{2}}$(لإبحار مثالي)

حيث R هي المسافة من الشمس بوحدة فلكية. ويمكن نمذجة الشراع المربع الفعلي على النحو التالي:

${\displaystyle F=F_{0}(0.349+0.662\cos(2\theta )-0.011\cos(4\theta ))/R^{2}}$

لاحظ أن القوة والتسارع يقتربان من الصفر عمومًا عند θ = 60° بدلاً من 90° كما هو متوقع مع الشراع المثالي. ^{[ 33 ]}

إذا تم امتصاص بعض الطاقة، فإن الطاقة الممتصة ستسخن الشراع، الذي يعيد إشعاع تلك الطاقة من السطحين الأمامي والخلفي، اعتمادًا على انبعاثية هذين السطحين.

تُمارس الرياح الشمسية ، وهي تدفق الجسيمات المشحونة المنبعثة من الشمس، ضغطًا ديناميكيًا اسميًا يبلغ حوالي 3 إلى 4 نانو باسكال ، أي أقل بثلاث مراتب من ضغط الإشعاع الشمسي على شراع عاكس. ^{[ 34 ]}

يُعد تحميل الشراع (الكثافة السطحية) معلمة مهمة، وهي الكتلة الكلية مقسومة على مساحة الشراع، ويتم التعبير عنها بوحدة جم/م² ^. ويتم تمثيلها بالحرف اليوناني σ (سيجما).

تتمتع المركبة الشراعية بتسارع مميز، يُرمز له بـ _c ، والذي تتعرض له عند مسافة وحدة فلكية واحدة (1  AU) عند مواجهة الشمس. تجدر الإشارة إلى أن هذه القيمة تشمل كلاً من الزخم الساقط والزخم المنعكس. باستخدام القيمة المذكورة أعلاه، وهي 9.08 ميكرونيوتن لكل متر مربع من ضغط الإشعاع عند مسافة وحدة فلكية واحدة (1 AU)، يرتبط التسارع _{c بالكثافة السطحية بالعلاقة التالية:}

a _c = 9.08 (الكفاءة) / σ مم/ث ²

بافتراض كفاءة 90%، فإن a _c = 8.17 / σ مم/ث ²

رقم الخفة، λ، أو غالبًا β، هو النسبة غير البعدية لأقصى تسارع للمركبة مقسومًا على جاذبية الشمس المحلية. باستخدام القيم عند  وحدة فلكية واحدة:

λ = a _c / 5.93

لا يتأثر رقم الخفة بالمسافة من الشمس، لأن كلاً من الجاذبية وضغط الضوء يتناقصان عكسياً مع مربع المسافة من الشمس. ولذلك، يحدد هذا الرقم أنواع المناورات المدارية الممكنة لمركبة معينة.

يعرض الجدول بعض القيم النموذجية. لا تشمل القيم الحمولات. القيمتان الأوليان مأخوذتان من التصميم التفصيلي الذي أُجري في مختبر الدفع النفاث (JPL) في سبعينيات القرن الماضي. أما القيمة الثالثة، وهي الشراع الشبكي، فقد تمثل أفضل مستوى أداء ممكن. ^{[ 5 ]} أبعاد الأشرعة المربعة والشبكية هي أبعاد الحواف. أما بُعد الهيليوجيرو فهو المسافة بين طرفي الشفرة.

يُعدّ نظام التحكم النشط في الوضع (ACS) ضروريًا للمركبة الشراعية لتحقيق الوضع المطلوب والحفاظ عليه. يتغير وضع الشراع المطلوب ببطء (غالبًا أقل من درجة واحدة يوميًا) في الفضاء بين الكواكب، ولكنه يتغير بسرعة أكبر بكثير في مدار كوكبي. يجب أن يكون نظام التحكم النشط في الوضع قادرًا على تلبية متطلبات هذا الوضع. ويتحقق التحكم في الوضع من خلال تغيير نسبي بين مركز ضغط المركبة ومركز كتلتها . ويمكن تحقيق ذلك باستخدام ريش التحكم، أو تحريك الأشرعة بشكل منفرد، أو تحريك كتلة التحكم، أو تغيير الانعكاسية.

يتطلب الحفاظ على وضعية ثابتة أن يحافظ نظام التحكم في الطيران على عزم دوران صافٍ يساوي صفرًا على المركبة. لا تكون القوة الكلية وعزم الدوران المؤثران على الشراع، أو مجموعة الأشرعة، ثابتين على طول المسار. تتغير القوة بتغير المسافة الشمسية وزاوية الشراع، مما يؤدي إلى تغيير شكل الشراع وانحراف بعض عناصر الهيكل الداعم، وبالتالي تغير قوة الشراع وعزم دورانه.

تتغير درجة حرارة الشراع أيضاً بتغير المسافة الشمسية وزاوية الشراع، مما يؤدي إلى تغيير أبعاده. كما تؤثر الحرارة الإشعاعية المنبعثة من الشراع على درجة حرارة الهيكل الداعم. ويؤثر كلا العاملين على القوة الكلية وعزم الدوران.

للحفاظ على الوضع المطلوب، يجب على نظام التحكم الآلي (ACS) التعويض عن كل هذه التغييرات. ^{[ 35 ]}

بالنسبة للرحلات داخل النظام الشمسي الداخلي، يمكنها إيصال الحمولات ثم العودة إلى الأرض لرحلات لاحقة، لتعمل كمكوك بين الكواكب. وبالنسبة للمريخ تحديدًا، يمكن أن توفر هذه المركبات وسيلة اقتصادية لتزويد العمليات على الكوكب بشكل دوري. ووفقًا لجيروم رايت، "تُعد تكلفة إطلاق الوقود التقليدي اللازم من الأرض باهظة للغاية بالنسبة للبعثات المأهولة. ويمكن أن يوفر استخدام السفن الشراعية أكثر من 10 مليارات دولار من تكاليف المهمة." ^{[ 5 ]}

تستطيع المركبات الفضائية التي تعمل بالأشرعة الشمسية الاقتراب من الشمس لإيصال حمولات الرصد أو لاتخاذ مدارات ثابتة. ويمكنها العمل على مسافة 0.25 وحدة فلكية أو أقل. كما يمكنها الوصول إلى ميول مدارية عالية، بما في ذلك الميول القطبية.

تستطيع الأشرعة الشمسية السفر من وإلى جميع الكواكب الداخلية. أما الرحلات إلى عطارد والزهرة فتُجرى للالتقاء ودخول الحمولة في المدار. بينما قد تكون الرحلات إلى المريخ إما للالتقاء أو للمرور بجانبه مع إطلاق الحمولة للكبح الديناميكي الهوائي . ^{[ 5 ]}

يُحقق استخدام النقل غير المباشر (المرور حول الشمس) أقصر أوقات الانتقال إلى الكواكب الخارجية. مع ذلك، ينتج عن هذه الطريقة سرعات وصول عالية، بينما ينتج عن النقلات الأبطأ سرعات وصول أقل.

_يبلغ الحد الأدنى لزمن الانتقال إلى كوكب المشتري _{بسرعة جاذبية} تبلغ 1  مم/ث² ^، مع انعدام سرعة المغادرة بالنسبة للأرض، سنتين عند استخدام الانتقال غير المباشر (المرور حول الشمس). وتقترب سرعة الوصول ( V∞ ) من 17 كم/ث. أما بالنسبة لكوكب زحل، فيبلغ الحد الأدنى لزمن الرحلة 3.3 سنوات، مع سرعة وصول تقارب 19 كم/ث. ^{[ 5 ]}  

تقع نقطة التركيز الجاذبي الداخلي للشمس على مسافة لا تقل عن 550 وحدة فلكية منها، وهي النقطة التي يتركز عندها ضوء الأجسام البعيدة بفعل الجاذبية نتيجة مروره بجانب الشمس. وبالتالي، تُعد هذه النقطة البعيدة هي التي تُركز عندها جاذبية الشمس منطقة الفضاء السحيق على الجانب الآخر من الشمس، مما يجعلها بمثابة عدسة موضوعية لتلسكوب كبير جدًا. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

اقترح الباحثون أن شراعًا منفوخًا مصنوعًا من البريليوم ، ينطلق من مسافة 0.05 وحدة فلكية من الشمس، سيكتسب تسارعًا أوليًا قدره 36.4  م/ث² ^، ويصل إلى سرعة 0.00264c (حوالي 950  كم/ث) في أقل من يوم. إلا أن هذا القرب من الشمس قد يكون غير عملي على المدى القريب نظرًا للتدهور البنيوي للبريليوم عند درجات الحرارة العالية، وانتشار الهيدروجين عند درجات الحرارة العالية، فضلًا عن التدرج الكهروستاتيكي الناتج عن تأين البريليوم بفعل الرياح الشمسية، مما يُشكل خطر انفجاره. ومن شأن تعديل نقطة الحضيض الشمسي إلى 0.1 وحدة فلكية أن يقلل من درجة الحرارة المذكورة والتعرض للإشعاع الشمسي. ^{[ 38 ]} سيستغرق هذا الشراع عامين ونصف للوصول إلى الغلاف الشمسي ، وستة أعوام ونصف للوصول إلى مركز جاذبية الشمس ، على أن يصل إلى سحابة أورت الداخلية في مدة لا تتجاوز ثلاثين عامًا. ^{[ 37 ]} "يمكن لمثل هذه المهمة أن تقوم بإجراء ملاحظات فيزيائية فلكية مفيدة في الطريق، واستكشاف تقنيات التركيز الجاذبي، وتصوير أجسام سحابة أورت أثناء استكشاف الجسيمات والمجالات في تلك المنطقة ذات الأصل المجري وليس الشمسي."

أشار روبرت ل. فوروارد إلى إمكانية استخدام الشراع الشمسي لتعديل مدار قمر صناعي حول الأرض. وفي حالة مثالية، يمكن استخدام الشراع لتثبيت قمر صناعي فوق أحد قطبي الأرض. كما يمكن وضع المركبات الفضائية المزودة بأشرعة شمسية في مدارات قريبة بحيث تكون ثابتة بالنسبة إما للشمس أو للأرض، وهو نوع من الأقمار الصناعية أطلق عليه فوروارد اسم "القمر الثابت ". هذا ممكن لأن قوة الدفع التي يوفرها الشراع تعوض جاذبية الشمس. قد يكون هذا المدار مفيدًا لدراسة خصائص الشمس لفترات طويلة. ^{[ 39 ]} وبالمثل، يمكن لمركبة فضائية مزودة بشراع شمسي أن تبقى في موقعها بالقرب من خط الفصل بين الليل والنهار القطبي لكوكب مثل الأرض عن طريق إمالة الشراع بالزاوية المناسبة اللازمة لموازنة جاذبية الكوكب. ^{[ 39 ]}

في كتابه "قضية المريخ" ، يشير روبرت زوبرين إلى أن ضوء الشمس المنعكس من نيزك ضخم، موضوع بالقرب من خط فاصل الليل والنهار على سطح المريخ، يمكن تركيزه على إحدى القمم الجليدية القطبية للمريخ لتسخين غلافه الجوي بشكل ملحوظ. ويمكن صنع هذا النيزك من مواد الكويكبات.

تم اقتراح مجموعة من الأقمار الصناعية المصممة لتعمل كأشرعة لقياس اختلال توازن الطاقة على سطح الأرض، وهو المقياس الأساسي لمعدل الاحتباس الحراري . ستقوم مقاييس التسارع المتطورة الموجودة على متن هذه الأقمار بقياس التغيرات في فرق الضغط بين الإشعاع الشمسي الوارد والإشعاع الحراري الصادر على الجانبين المتقابلين لكل قمر صناعي. وتشير التوقعات إلى أن دقة القياس ستكون أفضل من تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام أجهزة الكشف الإشعاعي المدمجة . ^{[ 40 ]}

استخدم مسبار MESSENGER، الذي يدور حول عطارد، ضغطًا خفيفًا على ألواحه الشمسية لإجراء تصحيحات دقيقة لمساره في طريقه إلى عطارد. ^{[ 41 ]} ومن خلال تغيير زاوية الألواح الشمسية بالنسبة للشمس، تم تعديل كمية ضغط الإشعاع الشمسي لضبط مسار المركبة الفضائية بدقة أكبر مما هو ممكن باستخدام المحركات النفاثة. تتضخم الأخطاء الطفيفة بشكل كبير بفعل مناورات المساعدة بالجاذبية ، لذا فإن استخدام ضغط الإشعاع لإجراء تصحيحات صغيرة جدًا وفر كميات كبيرة من الوقود.

في سبعينيات القرن العشرين، اقترح روبرت فوروارد نظامين للدفع باستخدام أشعة الليزر أو الميزر لدفع أشرعة عملاقة إلى جزء كبير من سرعة الضوء . ^{[ 42 ]}

في رواية الخيال العلمي "عالم روش" ، وصف فوروارد شراعًا ضوئيًا يُدفع بواسطة أشعة ليزر فائقة. عندما تقترب المركبة الفضائية من وجهتها، ينفصل الجزء الخارجي من الشراع. ثم يعيد الشراع الخارجي تركيز أشعة الليزر ويعكسها على شراع داخلي أصغر. يوفر هذا قوة دفع لكبح المركبة وإيقافها في النظام النجمي المستهدف.

تُشكّل كلتا الطريقتين تحديات هندسية هائلة. إذ يجب أن تعمل أشعة الليزر لسنوات متواصلة بقوة جيجاوات . ويتطلب حل شركة فوروارد لهذا الأمر بناء مصفوفات ضخمة من الألواح الشمسية على كوكب عطارد أو بالقرب منه. كما يجب وضع مرآة بحجم كوكب أو عدسة فريسنل على بُعد عشرات الوحدات الفلكية من الشمس للحفاظ على تركيز أشعة الليزر على الشراع. ويجب أن يعمل شراع الكبح العملاق كمرآة دقيقة لتركيز شعاع الكبح على شراع "التباطؤ" الداخلي.

قد يكون من الأسهل استخدام ليزر لتشغيل "شراع شمسي" مُكوّن من شبكة أسلاك بمسافات متساوية مع طول موجة الموجات الدقيقة المُوجّهة نحو الشراع، نظرًا لسهولة التحكم في إشعاع الموجات الدقيقة مقارنةً بالضوء المرئي. ويعتمد تصميم مسبار " ستارويسب " بين النجوم الافتراضي ^{[ 43 ] [ 44 ]} على الموجات الدقيقة بدلًا من الضوء المرئي. تنتشر أشعة الليزر بسرعة أكبر من أشعة الليزر الضوئية نظرًا لطول موجتها، وبالتالي لن يكون مداها الفعال واسعًا.

يمكن أيضًا استخدام الليزر لتشغيل شراع شمسي مطلي، وهو شراع تقليدي مغطى بطبقة من المواد الكيميائية المصممة للتبخر عند تعرضه لإشعاع الميكروويف. ^{[ 45 ]} يمكن للزخم الناتج عن هذا التبخر أن يزيد بشكل كبير من قوة الدفع التي تولدها الأشرعة الشمسية، كشكل من أشكال الدفع الليزري الاستئصالي خفيف الوزن .

لزيادة تركيز الطاقة على شراع شمسي بعيد، اقترح فوروارد عدسة مصممة على شكل لوحة منطقة كبيرة . يتم وضع هذه اللوحة في موقع بين الليزر أو الميزر والمركبة الفضائية. ^{[ 42 ]}

ثمة نهج آخر أكثر واقعية من الناحية الفيزيائية يتمثل في استخدام ضوء الشمس لتسريع المركبة الفضائية. ^{[ 46 ]} ستدخل المركبة أولًا في مدار قريب من الشمس، لزيادة الطاقة الشمسية المُدخلة إلى الشراع إلى أقصى حد، ثم ستبدأ بالتسارع مبتعدةً عن النظام باستخدام ضوء الشمس. سيتناقص التسارع تقريبًا عكسيًا مع مربع المسافة من الشمس، وبعد مسافة معينة، لن تتلقى المركبة ما يكفي من الضوء لتسريعها بشكل ملحوظ، لكنها ستحافظ على السرعة النهائية التي وصلت إليها. عند الاقتراب من النجم المستهدف، يمكن للمركبة توجيه أشرعتها نحوه والبدء في استخدام ضغط النجم الخارجي للتباطؤ. ويمكن للصواريخ أن تُعزز الدفع الشمسي.

اقترحت تقنيات مماثلة لإطلاق واستقبال الكائنات الحية باستخدام الأشرعة الشمسية في إطار نظرية التبذر الشامل الموجهة، بهدف توسيع نطاق الحياة في أنظمة شمسية أخرى. ويمكن تحقيق سرعات تصل إلى 0.05% من سرعة الضوء باستخدام أشرعة شمسية تحمل  حمولات وزنها 10 كيلوغرامات، وذلك باستخدام مركبات شراعية شمسية رقيقة ذات كثافة سطحية فعالة تبلغ 0.1  غرام/م² ^، بسماكة 0.1 ميكرومتر وأحجام تقارب كيلومترًا مربعًا واحدًا. وبدلاً من ذلك، يمكن إطلاق أسراب من الكبسولات، قطر كل منها 1 مليمتر، على أشرعة شمسية بنصف قطر 42 سم، تحمل كل منها 10,000 كبسولة تحتوي على مئة مليون كائن حي دقيق محب للظروف القاسية ، بهدف نشر الحياة في بيئات مستهدفة متنوعة. ^{[ 47 ] [ 48 ]}   

تشير الدراسات النظرية إلى سرعات نسبية إذا استغل الشراع الشمسي انفجار مستعر أعظم. ^{[ 49 ]}

تم اقتراح استخدام أشرعة شمسية صغيرة لتسريع عملية إخراج الأقمار الصناعية الصغيرة من مداراتها حول الأرض. يمكن للأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض الاستفادة من مزيج من الضغط الشمسي على الشراع وزيادة مقاومة الغلاف الجوي لتسريع دخولها الغلاف الجوي . ^{[ 50 ]} يُعدّ شراع الإخراج من المدار، الذي طُوّر في جامعة كرانفيلد، جزءًا من القمر الصناعي البريطاني TechDemoSat-1 ، الذي أُطلق عام 2014. وقد نُشر الشراع في نهاية عمر القمر الصناعي الافتراضي الذي يمتد لخمس سنوات في مايو 2019. ^{[ 51 ]} يهدف الشراع إلى إخراج القمر الصناعي من مداره على مدى 25 عامًا تقريبًا. ^{[ 52 ]} في يوليو 2015، أُطلق قمر صناعي بريطاني مكعب الشكل من فئة 3U يُدعى DeorbitSail إلى الفضاء بهدف اختبار هيكل إخراج من المدار بمساحة 16 مترًا ^مربعًا ، ^{[ 53 ]} ولكنه فشل في نشره في نهاية المطاف. ^{[ 54 ]} أُطلقت مهمة قمر صناعي مكعب من فئة 2U، يُدعى PW-Sat2 ، في ديسمبر 2018، واختبرت شراعًا لإخراج القمر من مداره بمساحة 4 أمتار مربعة ^. وقد خرج بنجاح من مداره في فبراير 2021. ^{[ 55 ]} في يونيو 2017، نشر قمر صناعي مكعب بريطاني ثانٍ من فئة 3U، يُدعى InflateSail، شراعًا لإخراج القمر من مداره بمساحة 10 أمتار ^مربعة على ارتفاع 500 كيلومتر (310 أميال) . ^{[ 56 ]} في يونيو 2017، أُطلق القمر الصناعي المكعب URSAMAIOR من فئة 3U في مدار أرضي منخفض لاختبار نظام ARTICA لإخراج القمر من مداره، والذي طورته شركة Spacemind . ^{[ 57 ]} سينشر الجهاز، الذي يشغل 0.4U فقط من حجم القمر الصناعي المكعب، شراعًا بمساحة 2.1 متر ^مربع لإخراج القمر من مداره في نهاية عمره التشغيلي. ^{[ 58 ]} 

المادة الأكثر شيوعًا في التصاميم الحالية هي طبقة رقيقة من طلاء الألومنيوم على صفيحة بوليمرية (بلاستيكية)، مثل غشاء الكابتون  المطلي بالألومنيوم بسمك 2 ميكرومتر . يوفر البوليمر الدعم الميكانيكي والمرونة، بينما توفر طبقة المعدن الرقيقة خاصية الانعكاس. تقاوم هذه المادة حرارة المرور بالقرب من الشمس مع الحفاظ على متانتها. يقع غشاء الألومنيوم العاكس على جانب الشمس. أما أشرعة مركبة كوزموس 1 فكانت مصنوعة من غشاء البولي إيثيلين تيريفثالات المطلي بالألومنيوم ( مايلر ).

ابتكر إريك دريكسلر تصميمًا لشراع شمسي تم فيه إزالة البوليمر. ^{[ 64 ]} اقترح أشرعة شمسية ذات نسبة دفع إلى كتلة عالية جدًا، وصنع نماذج أولية لمادة الشراع. كان من المفترض أن يستخدم شراعه ألواحًا من أغشية رقيقة من الألومنيوم (بسماكة تتراوح بين 30 و100 نانومتر ) مدعومة بهيكل شد . كان الشراع يدور ويحتاج إلى قوة دفع مستمرة. صنع دريكسلر عينات من الغشاء وتعامل معها في المختبر، لكن المادة كانت هشة للغاية بحيث لا تتحمل الطي والإطلاق والنشر. اعتمد التصميم على إنتاج ألواح الغشاء في الفضاء، وربطها بهيكل شد قابل للنشر. من شأن الأشرعة من هذا النوع أن توفر مساحة كبيرة لكل وحدة كتلة، وبالتالي تسارعًا يصل إلى "خمسين ضعفًا" مقارنةً بالتصاميم القائمة على الأغشية البلاستيكية القابلة للنشر. ^{[ 64 ]} كانت المادة التي طُوّرت لشراع دريكسلر الشمسي عبارة عن غشاء رقيق من الألومنيوم بسماكة أساسية تبلغ 0.1  ميكرومتر، يتم تصنيعه بواسطة الترسيب البخاري في نظام فضائي. استخدمت شركة دريكسلر عملية مماثلة لتحضير الأغشية على الأرض. وكما كان متوقعاً، أظهرت هذه الأغشية قوة ومتانة كافيتين للتعامل معها في المختبر وللاستخدام في الفضاء، ولكن ليس للطي والإطلاق والنشر.

أظهرت الأبحاث التي أجراها جيفري لانديس في الفترة 1998-1999، والتي مولها معهد ناسا للمفاهيم المتقدمة ، أن مواد مختلفة مثل الألومينا لأشرعة الليزر الضوئية وألياف الكربون لأشرعة الليزر التي تعمل بالميكروويف كانت مواد أشرعة متفوقة على أغشية الألومنيوم أو الكابتون القياسية السابقة. ^{[ 65 ]}

في عام 2000، طوّرت مختبرات علوم الطاقة مادة جديدة من ألياف الكربون قد تكون مفيدة في صناعة الأشرعة الشمسية. ^{[ 66 ] [ 67 ]} هذه المادة أسمك بأكثر من 200 ضعف من تصاميم الأشرعة الشمسية التقليدية، لكنها مسامية للغاية بحيث تحتفظ بنفس الكتلة. بفضل صلابتها ومتانتها، يمكن لهذه المادة أن تُنتج أشرعة شمسية أكثر صلابة بكثير من الأغشية البلاستيكية. كما تتميز هذه المادة بقدرتها على الانتشار الذاتي، ومن المتوقع أن تتحمل درجات حرارة أعلى.

دارت بعض التكهنات النظرية حول استخدام تقنيات التصنيع الجزيئي لإنتاج مواد شراعية متطورة، قوية، وخفيفة للغاية، تعتمد على نسيج شبكي من الأنابيب النانوية ، حيث تكون "المسافات" بين خيوط النسيج أقل من نصف طول موجة الضوء الساقط على الشراع. ورغم أن هذه المواد لم تُنتج حتى الآن إلا في ظروف المختبر، وأن وسائل تصنيعها على نطاق صناعي غير متوفرة بعد، إلا أن كتلتها قد تقل عن 0.1  غ/م² ^، [ ^{68 ] مما} يجعلها أخف وزنًا من أي مادة شراعية حالية بما لا يقل عن 30 ضعفًا. وللمقارنة، تبلغ كتلة مادة شراعية من مادة مايلر بسمك 5 ميكرومتر 7  غ/م² ^، بينما تصل كتلة أغشية كابتون المطلية بالألومنيوم إلى 12  غ/م² ^، [ ^{62 ] أما} مادة ألياف الكربون الجديدة من مختبرات علوم الطاقة فتبلغ كتلتها 3  غ/ ^م² . ^{[ 66 ]}

يُعد الليثيوم أقل المعادن كثافة ، إذ تقل كثافته عن كثافة الألومنيوم بنحو خمس مرات. وتتميز أسطحه الجديدة غير المؤكسدة بانعكاسها للضوء. عند سُمك 20  نانومتر، تبلغ كثافة سطح الليثيوم 0.011  غ/م² ^. ويمكن تصنيع شراع عالي الأداء من الليثيوم وحده عند سُمك 20  نانومتر (بدون طبقة باعثة). لكن سيتعين تصنيعه في الفضاء، ولن يُستخدم في الاقتراب من الشمس. وفي أقصى الأحوال، يمكن بناء مركب شراعي بكثافة سطح إجمالية تبلغ حوالي 0.02  غ/م² ^، مما يمنحه معامل خفة يبلغ 67 وسرعة _انزلاق تبلغ حوالي 400  مم/ث² ^. كما يُعد المغنيسيوم والبريليوم من المواد المحتملة للأشرعة عالية الأداء. ويمكن خلط هذه المعادن الثلاثة مع بعضها البعض ومع الألومنيوم. ^{[ 5 ]}

يُعدّ الألومنيوم الخيار الشائع لطبقة الانعكاس، حيث يبلغ سمكه عادةً 20  نانومترًا على الأقل، بمعامل انعكاس يتراوح بين 0.88 و0.90. أما الكروم، فهو خيار جيد لطبقة الانبعاث على السطح المقابل للشمس، إذ يُمكنه توفير قيم انبعاث تتراوح بين 0.63 و0.73 لسمك يتراوح بين 5 و20  نانومترًا على الأغشية البلاستيكية. وتُعتبر قيم الانبعاث العملية تجريبية نظرًا لتأثيرات الأغشية الرقيقة، بينما لا تُعتدّ بقيم الانبعاث الكلية في هذه الحالات لأن سمك المادة أقل بكثير من أطوال الموجات المنبعثة. ^{[ 69 ]}

تُصنع الأشرعة على الأرض على طاولات طويلة حيث تُفرد الشرائط وتُوصل لتشكيل الأشرعة. يجب أن تكون مادة الشراع خفيفة الوزن قدر الإمكان لأنها تتطلب استخدام المكوك الفضائي لحمل المركبة إلى المدار. ولذلك، تُحزم هذه الأشرعة وتُطلق وتُفرد في الفضاء. ^{[ 70 ]}

في المستقبل، قد تتم عملية التصنيع في المدار داخل هياكل ضخمة تدعم الشراع. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى أشرعة ذات كتلة أقل والقضاء على خطر فشل النشر.

تُعدّ عمليات الإبحار أبسط ما يكون في المدارات بين الكواكب، حيث تحدث تغييرات الارتفاع بمعدلات منخفضة. في المسارات المتجهة للخارج، يكون متجه قوة الشراع موجهًا للأمام من خط الشمس، مما يزيد من طاقة المدار والزخم الزاوي، وبالتالي تتحرك المركبة بعيدًا عن الشمس. أما في المسارات المتجهة للداخل، فيكون متجه قوة الشراع موجهًا للخلف من خط الشمس، مما يقلل من طاقة المدار والزخم الزاوي، وبالتالي تتحرك المركبة باتجاه الشمس. تجدر الإشارة إلى أن جاذبية الشمس وحدها هي التي تجذب المركبة نحوها، ولا يوجد ما يُشابه تغيير اتجاه قارب شراعي لمواجهة الريح. ولتغيير ميل المدار، يُحوّل متجه القوة خارج مستوى متجه السرعة.

في المدارات حول الكواكب أو الأجسام الأخرى، يتم توجيه الشراع بحيث يكون لمتجه قوته مركبة على طول متجه السرعة، إما في اتجاه الحركة بالنسبة للدوران الحلزوني الخارجي، أو عكس اتجاه الحركة بالنسبة للدوران الحلزوني الداخلي.

قد تتطلب تحسينات المسار في كثير من الأحيان فترات من انخفاض قوة الدفع أو انعدامها. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تدوير المركبة حول خط الشمس مع ضبط الشراع بزاوية مناسبة لتقليل قوة الدفع أو إزالتها. ^{[ 5 ]}

يمكن استخدام المرور القريب من الشمس لزيادة طاقة المركبة. يساهم ضغط الإشعاع المتزايد، بالإضافة إلى فعالية التواجد في عمق بئر جاذبية الشمس، في زيادة الطاقة بشكل كبير للرحلات إلى النظام الشمسي الخارجي. يتم الاقتراب الأمثل من الشمس عن طريق زيادة الانحراف المداري مع الحفاظ على مستوى الطاقة عند أعلى مستوى ممكن عمليًا. تعتمد أقصر مسافة اقتراب على زاوية الشراع، والخصائص الحرارية للشراع وباقي أجزاء الهيكل، وتأثيرات الأحمال على الهيكل، والخصائص البصرية للشراع (الانعكاسية والانبعاثية). قد يؤدي المرور القريب إلى تدهور كبير في الخصائص البصرية. كما يمكن أن تزداد معدلات الدوران المطلوبة بشكل كبير عند المرور القريب. يمكن للمركبة الشراعية التي تصل إلى نجم استخدام المرور القريب لتقليل الطاقة، وينطبق هذا أيضًا على المركبة الشراعية العائدة من النظام الشمسي الخارجي.

قد يكون للمرور بالقرب من القمر فوائد مهمة لمسارات المركبات الفضائية المغادرة من الأرض أو الواصلة إليها. إذ يُمكن أن يُقلل ذلك من مدة الرحلة، خاصةً في حال كانت المركبة مُحمّلة بأحمال ثقيلة. كما يُمكن استخدام هذه العملية للحصول على اتجاهات مغادرة أو وصول مُلائمة بالنسبة للأرض.

يمكن أيضاً استخدام مناورة التحليق حول الكوكب على غرار ما يتم مع المركبات الفضائية التي تسير بحرية، ولكن قد لا تتوفر محاذاة جيدة بسبب متطلبات التحسين الشامل للمسار. ^{[ 71 ]}

يسرد الجدول التالي بعض الأمثلة على المفاهيم التي تستخدم الدفع بالليزر الموجه كما اقترحها الفيزيائي روبرت ل. فوروارد : ^{[ 72 ]}

في مدار الأرض، يجب أن تعمل المركبة الشراعية على ارتفاع يتجاوز فيه ضغط الإشعاع الشمسي ضغط السحب. وبما أن ضغط السحب يتناقص مع الارتفاع، فإن هذا يعني وجود حد أدنى لارتفاع التشغيل (عادةً حوالي 600  كيلومتر، على الرغم من أن هذا يعتمد قليلاً على النشاط الشمسي وتطبيق المهمة). ^{[ 74 ]}

يجب أن تعمل المركبات الشراعية في مدارات تتوافق فيها السرعة الزاوية القصوى للهيكل مع دورة المدار، وهو اعتبار بالغ الأهمية في حالة المدارات الكوكبية المركزية، التي غالبًا ما تكون دورتها أقصر بكثير من المدارات الشمسية المركزية. على سبيل المثال، في حالة المركبة ACS3 ، تبلغ السرعة الزاوية القصوى للهيكل 0.5 درجة/ثانية ^{[ 75 ]،} لذا يجب ألا يتطلب تصميم استراتيجية التحكم تغييرات في الوضع تتجاوز هذه السرعة.

تعتمد درجات حرارة تشغيل الشراع على بُعد الشمس، وزاوية الشراع، ومعامل انعكاسه، ومعامل انبعاثه من الأمام والخلف. ولا يُمكن استخدام الشراع إلا إذا كانت درجة حرارته ضمن حدود مادته. عمومًا، يُمكن استخدام الشراع بالقرب من الشمس، حوالي 0.25  وحدة فلكية، أو حتى أقرب إذا صُمم بعناية لتلك الظروف. ^{[ 5 ]}

أظهرت كل من مهمة مارينر 10 ، التي حلقت بالقرب من كوكبي عطارد والزهرة ، ومهمة ميسنجر إلى عطارد، استخدام الضغط الشمسي كطريقة للتحكم في الوضع من أجل الحفاظ على وقود التحكم في الوضع.

كما استخدمت مركبة هايابوسا ضغط الطاقة الشمسية على مجاديفها الشمسية كوسيلة للتحكم في الوضعية للتعويض عن عجلات التفاعل المكسورة والدافع الكيميائي.

يُوازن الشراع الشمسي للقمر الصناعي MTSAT-1R ( قمر النقل متعدد الوظائف ) عزم الدوران الناتج عن ضغط أشعة الشمس على الألواح الشمسية. ويُجري جهاز ضبط التوازن على الألواح الشمسية تعديلات طفيفة على توازن عزم الدوران.

نجحت وكالة ناسا في اختبار تقنيات النشر على أشرعة صغيرة الحجم في غرف مفرغة من الهواء. ^{[ 76 ]}

في عام 1999، تم اختبار نشر كامل النطاق لشراع شمسي على الأرض في مركز الفضاء الألماني/وكالة الفضاء الأوروبية في كولونيا. ^{[ 77 ]}

حاول مشروع Cosmos 1 ، وهو مشروع خاص مشترك بين جمعية الكواكب واستوديوهات Cosmos والأكاديمية الروسية للعلوم، إطلاق مركبة نموذجية شبه مدارية في عام 2005، والتي تم تدميرها بسبب عطل في الصاروخ.

أُطلق شراع شمسي قطره 15 متراً (SSP، حمولة فرعية للشراع الشمسي، soraseiru sabupeiro-do ) مع المركبة الفضائية ASTRO-F على متن صاروخ MV في 21 فبراير 2006، ووصل إلى مداره. انفصل عن المرحلة، لكنه لم يُفتح بالكامل. ^{[ 78 ]}

في 9 أغسطس/آب 2004، نجح معهد علوم الفضاء الياباني (ISAS) في نشر نموذجين أوليين لشراع شمسي من صاروخ استكشافي. نُشر شراع على شكل نبتة البرسيم على  ارتفاع 122 كيلومترًا، وشراع آخر على شكل مروحة على  ارتفاع 169 كيلومترًا. استخدم كلا الشراعين غشاءً بسمك 7.5 ميكرومتر . اختبرت التجربة آليات النشر فقط، وليس الدفع. ^{[ 79 ]}

في الرابع من فبراير عام ١٩٩٣، تم بنجاح نشر عاكس زناميا ٢ ، وهو عاكس مصنوع من مادة المايلر المطلية بالألومنيوم بعرض ٢٠ مترًا، من محطة الفضاء الروسية مير . وكان هذا أول عاكس رقيق من نوعه يُنشر بنجاح في الفضاء باستخدام آلية تعتمد على قوة الطرد المركزي. ^{[ ٨٠ ]} ورغم نجاح عملية النشر، لم يتم إثبات قدرة الدفع. وفي اختبار ثانٍ أُجري عام ١٩٩٩، على متن زناميا ٢.٥ ، فشلت عملية النشر بشكل صحيح.

في 21 مايو 2010، أطلقت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) أول مركبة فضائية شراعية شمسية بين الكواكب في العالم ، وهي " إيكاروس " (مركبة طائرة ورقية بين الكواكب مُسرّعة بإشعاع الشمس)، إلى كوكب الزهرة. ^{[ 81 ]} وباستخدام طريقة دفع جديدة تعتمد على الفوتونات الشمسية، ^{[ 82 ]} كانت أول مركبة فضائية شراعية شمسية حقيقية تعمل بالكامل بواسطة ضوء الشمس، ^{[ 83 ] [ 84 ]} وكانت أول مركبة فضائية تنجح في رحلة شراعية شمسية. ^{[ 85 ]}

أجرت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) بنجاح اختبارًا للمركبة الفضائية إيكاروس عام 2010. وكان الهدف هو نشر الشراع والتحكم فيه، ولأول مرة، تحديد الاضطرابات المدارية الدقيقة الناتجة عن الضغط الخفيف. تم تحديد المدار بواسطة مسبار أكاسوكي القريب ، والذي انفصلت عنه إيكاروس بعد أن تم وضع كليهما في مدار انتقالي إلى كوكب الزهرة. بلغ التأثير الكلي خلال الرحلة التي استمرت ستة أشهر 100  متر/ثانية. ^{[ 86 ]}

حتى عام 2010، لم تُستخدم الأشرعة الشمسية بنجاح في الفضاء كنظام دفع أساسي. في 21 مايو 2010، أطلقت وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) المركبة الفضائية إيكاروس، التي نشرت شراعًا شمسيًا تجريبيًا من البوليميد مساحته 200 متر مربع في 10 يونيو. ^{[ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] في} يوليو، بدأت المرحلة التالية لإثبات التسارع بالإشعاع. في 9 يوليو 2010، تم التحقق من أن إيكاروس جمعت إشعاعًا من الشمس وبدأت تسارع الفوتونات من خلال تحديد مدارها باستخدام طريقة المدى ومعدل المدى (RARR) المحسوبة حديثًا بالإضافة إلى بيانات سرعة التسارع النسبي لإيكاروس بين إيكاروس والأرض، والتي جُمعت قبل استخدام تأثير دوبلر. ^{[ 90 ]} أظهرت البيانات أن إيكاروس كانت تعمل على ما يبدو باستخدام الشراع الشمسي منذ 3 يونيو، عندما نشرت الشراع.

يمتلك إيكاروس شراعًا مربعًا دوارًا قطريًا بأبعاد 14×14 مترًا (196 مترًا ^مربعًا ) مصنوعًا من صفيحة من البوليميد بسماكة 7.5 ميكرومتر (0.0075 مليمتر) . تبلغ كتلة صفيحة البوليميد حوالي 10 غرامات لكل متر مربع. يحتوي الشراع على مصفوفة شمسية رقيقة. كما يحتوي على ثماني لوحات LCD يمكن تعديل انعكاسها للتحكم في وضعية المركبة . ^{[ 91 ] [ 92 ]} أمضى إيكاروس ستة أشهر في رحلة إلى كوكب الزهرة، ثم بدأ رحلة استغرقت ثلاث سنوات إلى الجانب البعيد من الشمس. ^{[ 93 ]} 

قام فريق من مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا (مارشال)، بالتعاون مع فريق من مركز أميس للأبحاث التابع لناسا ، بتطوير مهمة شراعية شمسية تُدعى NanoSail-D، والتي فُقدت إثر فشل إطلاقها على متن صاروخ فالكون 1 في 3 أغسطس 2008. ^{[ 94 ] [ 95 ]} أُطلقت النسخة الاحتياطية الثانية، NanoSail-D2 ، والتي تُعرف أحيانًا باسم NanoSail-D فقط، ^{[ 96 ]} مع القمر الصناعي FASTSAT على متن صاروخ مينوتور IV في 19 نوفمبر 2010، لتصبح أول شراع شمسي لناسا يُنشر في مدار أرضي منخفض. تمثلت أهداف المهمة في اختبار تقنيات نشر الأشرعة، وجمع بيانات حول استخدام الأشرعة الشمسية كوسيلة بسيطة و"سلبية" لإخراج الأقمار الصناعية المعطلة والحطام الفضائي من مداراتها. ^{[ 97 ]} صُنع هيكل NanoSail-D من الألومنيوم والبلاستيك، وبلغ وزن المركبة الفضائية أقل من 4.5 كيلوغرام . تبلغ مساحة سطح الشراع حوالي 100 قدم مربع (9.3 متر ^مربع ) . بعد بعض المشاكل الأولية في عملية النشر، تم نشر الشراع الشمسي، وخلال مهمته التي استمرت 240 يومًا، أفادت التقارير أنه أنتج "كمية هائلة من البيانات" المتعلقة باستخدام الأشرعة الشمسية كأجهزة سلبية لخفض المدار. ^{[ 98 ]}  

أطلقت ناسا الوحدة الثانية من NanoSail-D المخزنة داخل القمر الصناعي FASTSAT على متن المركبة الفضائية Minotaur IV في 19 نوفمبر 2010. وكان من المقرر إطلاقها من القمر الصناعي الصغير FASTSAT في 6 ديسمبر 2010، ولكن لم يتم نشرها إلا في 20 يناير 2011. ^{[ 99 ]}

في 21 يونيو/حزيران 2005، أطلق مشروعٌ خاصٌ مشتركٌ بين جمعية الكواكب ، واستوديوهات كوزموس ، والأكاديمية الروسية للعلوم، نموذجًا أوليًا لشراع كوزموس 1 من غواصةٍ في بحر بارنتس ، إلا أن صاروخ فولنا فشل، ولم تتمكن المركبة الفضائية من الوصول إلى مدارها. وكان الهدف من استخدام الشراع رفع المركبة تدريجيًا إلى مدارٍ أعلى حول الأرض على مدارٍ مدته شهرٌ واحد. وقد أثارت محاولة الإطلاق اهتمامًا عامًا، وفقًا للويس فريدمان. ^{[ 100 ]} وعلى الرغم من فشل محاولة إطلاق كوزموس 1، فقد لاقت جمعية الكواكب استحسانًا من مجتمع الفضاء لجهودها، وأعادت إحياء الاهتمام بتقنية الأشرعة الشمسية.

في عيد ميلاد كارل ساجان الخامس والسبعين (9 نوفمبر 2009)، أعلنت الجمعية الكوكبية عن خطط ^{[ 101 ]} لإجراء ثلاث محاولات إضافية، أُطلق عليها اسم LightSail-1 و -2 و-3. ^{[ 102 ]} سيستخدم التصميم الجديد شراعًا من مادة المايلر بمساحة 32 مترًا ^مربعًا ، يُنشر على شكل أربعة أجزاء مثلثة مثل NanoSail-D. ^{[ 102 ]} يعتمد تصميم الإطلاق على شكل مكعب سات من فئة 3U ، وفي عام 2015، كان من المقرر أن يكون حمولة ثانوية لإطلاقه في عام 2016 على متن أول رحلة إطلاق لصاروخ فالكون الثقيل التابع لشركة سبيس إكس . ^{[ 103 ]}

أُطلق القمر الصناعي " LightSail-1 " في 20 مايو 2015. ^{[ 104 ]} وكان الغرض من الاختبار هو السماح بإجراء فحص كامل لأنظمة القمر الصناعي قبل إطلاق LightSail-2. لم يكن مدار إطلاقه مرتفعًا بما يكفي للهروب من مقاومة الغلاف الجوي للأرض وإثبات الإبحار الشمسي الحقيقي.

أُطلق القمر الصناعي " لايت سيل-2 " في 25 يونيو 2019، ووُضع في مدار أرضي منخفض أعلى بكثير. ونُشرت أشرعته الشمسية في 23 يوليو 2019. ^{[ 105 ]} ودخل الغلاف الجوي مجدداً في 17 نوفمبر 2022. وقد أثبت "لايت سيل-2" بنجاح قدرته على الدفع بواسطة الشراع الشمسي. ^{[ 106 ]}

كانت مهمة "كشاف الكويكبات القريبة من الأرض" (NEA Scout) مشروعًا مشتركًا بين مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا ( MSFC) ومختبر الدفع النفاث (JPL)، وتتألف من مركبة فضائية مكعبة الشكل ( CubeSat) منخفضة التكلفة قابلة للتحكم، تعمل بالطاقة الشمسية، وقادرة على رصد الكويكبات القريبة من الأرض (NEA). ^{[ 107 ]} وكان من المقرر نشر أربعة أذرع بطول 7 أمتار (23 قدمًا) لكشف الشراع الشمسي المصنوع من البوليميد المطلي بالألومنيوم، والذي تبلغ مساحته 83 مترًا ^مربعًا (890 قدمًا مربعًا ) . ^{[ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]} في عام 2015، أعلنت ناسا اختيارها لمركبة "كشاف الكويكبات القريبة من الأرض" (NEA Scout) لإطلاقها كإحدى الحمولات الثانوية على متن مهمة "أرتميس 1" ، وهي الرحلة الأولى لمركبة الإطلاق الثقيلة "إس إل إس" (SLS) التابعة للوكالة . ^{[ 111 ]} ومع ذلك، اعتُبرت المركبة مفقودة بعد فشل الاتصال بها بعد وقت قصير من إطلاقها في عام 2022. ^{[ 112 ]}     

يُعدّ نظام ناسا المتقدم للأشرعة الشمسية المركبة (ACS3) ^{[ 2 ]} نموذجًا تجريبيًا لتكنولوجيا الأشرعة الشمسية للمركبات الفضائية الصغيرة المستقبلية. ^{[ 113 ]} وقد تم اختياره في عام 2019 من قِبل مبادرة إطلاق الأقمار الصناعية المكعبة (CSLI) التابعة لناسا ليتم إطلاقه كجزء من برنامج ELaNa . ^{[ 114 ]}

يتكون نظام ACS3 من قمر صناعي صغير من نوع CubeSat بحجم 12U (وحدة) ^{[ 115 ]} (23 سم × 23 سم × 34 سم؛ 16 كجم) يقوم بنشر شراع شمسي مربع الشكل مساحته 80 مترًا مربعًا (860 قدمًا مربعًا ) ، مصنوع من غشاء بولي إيثيلين نافثاليت مطلي من جانب واحد بالألومنيوم لزيادة الانعكاسية، ومن الجانب الآخر بالكروم لزيادة الانبعاث الحراري. ويُثبّت الشراع بواسطة نظام نشر مبتكر يتألف من أربعة أذرع من البوليمر المقوى بألياف الكربون، طول كل منها 7 أمتار (23 قدمًا)، تُلفّ للتخزين. ^{[ 116 ]}   

أُطلق نظام ACS3 في 23  أبريل 2024 ضمن مهمة " بداية السرب " على متن مركبة إلكترون الفضائية . وقد نجح نظام ACS3 في الاتصال بالمحطات الأرضية بعد نشره في أوائل مايو. ^{[ 117 ]} وأكد مشغلو المهمة نجاح تشغيل الشراع الشمسي في 29 أغسطس 2024. ^{[ 118 ] [ 119 ]} 

في 25  أكتوبر 2024، ورد أن "... ذراع دعم مثني تسبب في فقدان (ACS3) اتجاهه ودورانه خارج السيطرة في الفضاء." ^{[ 3 ]}

كان يجري تطوير مركبة شراعية تجريبية، أُطلق عليها اسم "سانجامر" ، بهدف إثبات جدوى وقيمة تكنولوجيا الإبحار. ^{[ 120 ]} كانت "سانجامر" مزودة بشراع مربع، عرض كل ضلع منه 38 مترًا (125 قدمًا) ، مما يمنحها مساحة فعالة تبلغ 1200 متر مربع (13000 قدم مربع ) . وكان من المقرر أن تسافر من نقطة لاغرانج L1 بين الشمس والأرض، على بُعد _1.5 مليون كيلومتر (930000 ميل) من الأرض، إلى مسافة 3 ملايين كيلومتر (1.9 مليون ميل) . ^{[ 121 ]} وكان من المتوقع إطلاق المركبة التجريبية على متن صاروخ فالكون 9 في يناير 2015. ^{[ 122 ]} وكانت ستكون حمولة ثانوية، تُطلق بعد وضع قمر DSCOVR المناخي عند نقطة L1. ^{[ 122 ]} وبسبب عدم الثقة في قدرة شركة المقاولات L'Garde على إنجاز المهمة، ألغت ناسا المهمة في أكتوبر 2014. ^{[ 123 ]}      

كانت أوكيانوس (مركبة طائرة ورقية ضخمة للاستكشاف والملاحة الفضائية في النظام الشمسي الخارجي) فكرة مهمة مقترحة من وكالة استكشاف الفضاء اليابانية (جاكسا) لاستكشاف كويكبات طروادة حول كوكب المشتري، باستخدام شراع شمسي هجين للدفع؛ وكان من المقرر تغطية الشراع بألواح شمسية رقيقة لتشغيل محرك أيوني . وكان من المقرر إجراء تحليل في الموقع للعينات المجمعة إما عن طريق الاتصال المباشر أو باستخدام مركبة هبوط تحمل مطياف كتلة عالي الدقة. وكانت مركبة الهبوط وإمكانية إعادة العينات إلى الأرض من بين الخيارات قيد الدراسة. ^{[ 124 ]} وصلت مهمة أوكيانوس لاستكشاف كويكبات طروادة حول كوكب المشتري إلى المرحلة النهائية من مهمة ISAS اليابانية الثانية من الفئة الكبيرة ، والمقرر إطلاقها في أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين. ومع ذلك، لم يتم اختيارها.

في أغسطس/آب 2019، منحت وكالة ناسا فريق سولار كروزر 400 ألف دولار أمريكي لإجراء دراسات مفاهيمية للمهمة لمدة تسعة أشهر. كان من المقرر أن تحمل المركبة الفضائية شراعًا شمسيًا مساحته 1672 مترًا ^مربعًا (18000 قدم مربع ) ، وأن تدور حول الشمس في مدار قطبي، بينما كان من المفترض أن يُمكّن جهاز الكورونوغراف من إجراء قياسات متزامنة لبنية المجال المغناطيسي للشمس وسرعة الانبعاثات الكتلية الإكليلية . ^{[ 125 ]} لو تم اختيارها لمزيد من التطوير، لكان من المقرر إطلاقها في عام 2025. إلا أن سولار كروزر لم تحصل على الموافقة للانتقال إلى المرحلة "ج" من دورة تطويرها، وتم إيقاف المشروع لاحقًا. ^{[ 126 ]}   

اعتبارًا من ديسمبر 2013 لدى وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) شراعٌ مُقترح لإخراج الأقمار الصناعية من مداراتها، يُسمى " جوسامر "، يهدف إلى تسريع عملية إخراج الأقمار الصناعية الصغيرة (أقل من 700 كيلوغرام ) من مدارات الأرض المنخفضة . تبلغ كتلة الإطلاق كيلوغرامين، وحجمه 15×15×25 سنتيمترًا فقط . عند نشره، يتمدد الشراع إلى 5×5 أمتار ، ويستخدم مزيجًا من ضغط الشمس عليه وزيادة مقاومة الغلاف الجوي لتسريع دخول القمر الصناعي إلى الغلاف الجوي . ^{[ 50 ]}      

كان مشروع "بريكثرو ستار شوت"، الذي حظي بتمويل كبير وأُعلن عنه عام 2016، يهدف إلى بناء 1000 مركبة نانوية تعمل بأشرعة ضوئية وتحمل كاميرات مصغرة، ودفعها بواسطة أشعة ليزر أرضية إلى ألفا قنطورس بسرعة تعادل 20% من سرعة الضوء، في رحلة تستغرق 20 عامًا. ^{[ 127 ] [ 128 ] [ 129 ]} وفي عام 2025، أفيد بأنه لا توجد خطط لمواصلة المشروع. ^{[ 130 ]}