Una vela solar es una forma de propulsar una nave espacial utilizando la presión de la luz y los gases de alta velocidad (también llamados presión de luz solar) emitidos por una estrella. Echemos un vistazo más de cerca a su dispositivo.
Usar una vela significa un viaje espacial de bajo costo combinado con una vida útil prolongada. Debido a la f alta de muchas partes móviles, así como a la necesidad de usar propulsor, un barco de este tipo es potencialmente reutilizable para la entrega de cargas útiles. A veces también se utilizan los nombres luz o vela de fotones.
Historia conceptual
Johannes Kepler una vez notó que la cola de un cometa mira hacia el otro lado del Sol, y sugirió que es la estrella la que produce este efecto. En una carta a Galileo en 1610, escribió: "Proporcione a la nave una vela adaptada a la brisa solar, y habrá quien se atreva a explorar este vacío". Quizá con estas palabras se refería precisamente al fenómeno de la "cola de cometa", aunque varios años después aparecieron publicaciones sobre este tema.
James K. Maxwell en los años 60 del siglo XIX publicó la teoría del campo electromagnético yradiación, en el que demostró que la luz tiene impulso y, por lo tanto, puede ejercer presión sobre los objetos. Las ecuaciones de Maxwell proporcionan la base teórica para la locomoción de presión ligera. Por lo tanto, ya en 1864, se sabía dentro y fuera de la comunidad física que la luz del sol lleva un impulso que ejerce presión sobre los objetos.
Primero, Pyotr Lebedev demostró experimentalmente la presión de la luz en 1899, y luego Ernest Nichols y Gordon Hull realizaron un experimento independiente similar en 1901 utilizando el radiómetro de Nichols.
Albert Einstein introdujo una formulación diferente, reconociendo la equivalencia de masa y energía. Ahora simplemente podemos escribir p=E/c como la relación entre el momento, la energía y la velocidad de la luz.
Svante Arrhenius predijo en 1908 la posibilidad de que la presión de la radiación solar llevara esporas vivas a distancias interestelares y, como resultado, el concepto de panspermia. Fue el primer científico en afirmar que la luz podía mover objetos entre las estrellas.
Friedrich Zander publicó un artículo que incluye un análisis técnico de la vela solar. Escribió sobre "el uso de láminas de espejos enormes y muy delgadas" y "la presión de la luz solar para alcanzar velocidades cósmicas".
Los primeros proyectos formales para desarrollar esta tecnología comenzaron en 1976 en el Jet Propulsion Laboratory para una misión de encuentro propuesta con el cometa Halley.
Cómo funciona una vela solar
La luz afecta a todos los vehículos en la órbita del planeta o enespacio interplanetario. Por ejemplo, una nave espacial convencional con destino a Marte estaría a más de 1.000 km del Sol. Estos efectos se han tenido en cuenta en la planificación de la trayectoria de los viajes espaciales desde la primera nave espacial interplanetaria en la década de 1960. La radiación también afecta la posición del vehículo, y este factor debe tenerse en cuenta en el diseño del barco. La fuerza sobre la vela solar es de 1 newton o menos.
El uso de esta tecnología es conveniente en órbitas interestelares, donde cualquier acción se realiza a un ritmo lento. El vector de fuerza de la vela ligera está orientado a lo largo de la línea del sol, lo que aumenta la energía de la órbita y el momento angular, lo que hace que la nave se aleje más del sol. Para cambiar la inclinación de la órbita, el vector de fuerza está fuera del plano del vector de velocidad.
Control de posición
Se necesita un sistema de control de actitud (ACS) de una nave espacial para alcanzar y cambiar la posición deseada mientras se viaja por el Universo. La posición establecida del aparato cambia muy lentamente, a menudo menos de un grado por día en el espacio interplanetario. Este proceso ocurre mucho más rápido en las órbitas de los planetas. El sistema de control de un vehículo que utilice una vela solar debe cumplir todos los requisitos de orientación.
El control se logra mediante un cambio relativo entre el centro de presión del recipiente y su centro de masa. Esto se puede lograr con paletas de control, moviendo velas individuales, moviendo una masa de control o cambiando el reflectorhabilidades.
La posición de pie requiere que el ACS mantenga el par neto en cero. El momento de fuerza de la vela no es constante a lo largo de la trayectoria. Cambia con la distancia al sol y el ángulo, lo que corrige el eje de la vela y desvía algunos elementos de la estructura de soporte, lo que genera cambios en la fuerza y el par.
Restricciones
La vela solar no podrá funcionar a una altura inferior a 800 km de la Tierra, ya que hasta esta distancia la fuerza de resistencia del aire supera a la fuerza de presión de la luz. Es decir, la influencia de la presión solar se nota débilmente y simplemente no funcionará. La velocidad de giro del velero debe ser compatible con la órbita, lo que suele ser solo un problema para las configuraciones de disco giratorio.
La temperatura de funcionamiento depende de la distancia solar, el ángulo, la reflectividad y los radiadores delantero y trasero. La vela solo se puede utilizar cuando la temperatura se mantiene dentro de sus límites materiales. Por lo general, se puede usar bastante cerca del sol, alrededor de 0,25 AU, si el barco está cuidadosamente diseñado para esas condiciones.
Configuración
Eric Drexler hizo un prototipo de vela solar con un material especial. Es un marco con un panel de película delgada de aluminio con un espesor de 30 a 100 nanómetros. La vela gira y debe estar constantemente bajo presión. Este tipo de estructura tiene un área alta por unidad de masa y por lo tantoaceleración "cincuenta veces más rápida" que las basadas en películas plásticas desplegables. Es una vela cuadrada con mástiles y cabos gemelos en el lado oscuro de la vela. Cuatro mástiles que se cruzan y uno perpendicular al centro para sujetar los cables.
Diseño electrónico
Pekka Janhunen inventó la vela eléctrica. Mecánicamente, tiene poco en común con el diseño de iluminación tradicional. Las velas se reemplazan por cables conductores enderezados (alambres) dispuestos radialmente alrededor del barco. Crean un campo eléctrico. Se extiende varias decenas de metros en el plasma del viento solar circundante. Los electrones solares son reflejados por el campo eléctrico (como los fotones en una vela solar tradicional). El barco se puede gobernar regulando la carga eléctrica de los cables. La vela eléctrica tiene 50-100 cables enderezados, de unos 20 km de largo.
¿De qué está hecho?
El material desarrollado para la vela solar de Drexler es una fina película de aluminio de 0,1 micrómetros de espesor. Como era de esperar, ha demostrado suficiente resistencia y fiabilidad para su uso en el espacio, pero no para plegarse, lanzarse y desplegarse.
El material más común en los diseños modernos es la película de aluminio "Kapton" de 2 micrones de tamaño. Resiste altas temperaturas cerca del sol y es lo suficientemente fuerte.
Había algunas teoríasespeculaciones sobre la aplicación de técnicas de fabricación molecular para crear una vela avanzada, fuerte y ultraligera basada en rejillas de tela de nanotubos donde los "huecos" tejidos son menos de la mitad de la longitud de onda de la luz. Dicho material se creó solo en el laboratorio, y los medios para fabricarlo a escala industrial aún no están disponibles.
La vela ligera abre grandes perspectivas para los viajes interestelares. Por supuesto, todavía hay muchas preguntas y problemas que deberán afrontarse antes de que viajar por el universo con un diseño de nave espacial de este tipo se convierta en algo común para la humanidad.
