Vela solar para niños
Una vela solar es una forma innovadora de mover sondas y naves espaciales por el espacio. A diferencia de los motores que usan combustible, las velas solares aprovechan la energía de fuentes externas, como la luz del sol o el viento solar. Esto significa que la nave no necesita llevar mucho peso en combustible, lo que le permite viajar más rápido y más lejos.
Existen dos tipos principales de velas solares:
- Velas de fotones (o fotónicas): Son grandes láminas muy ligeras y reflectantes. Funcionan capturando la presión que ejercen los fotones de la radiación solar. También pueden diseñarse para usar la energía de láseres o microondas creadas por los humanos.
- Velas de plasma: Estas velas no son láminas sólidas, sino grandes redes que crean un campo eléctrico o magnético. Este campo interactúa con el plasma del viento solar para impulsar la nave. Se les llama velas magnéticas o velas eléctricas según el campo que generen.
Aunque las velas solares no son muy potentes al principio, necesitan un cohete para ser lanzadas al espacio. Una vez fuera de la atmósfera, su aceleración es lenta, pero constante. Esto significa que, con el tiempo, una nave con velas solares puede alcanzar velocidades mucho mayores que las naves con motores de cohete actuales.
Esta tecnología es relativamente nueva. La sonda IKAROS fue la primera en usar una vela solar para impulsarse en el espacio. Varias agencias espaciales están investigando y desarrollando esta tecnología, que podría ser clave para viajes espaciales más largos en el futuro.
Contenido
Historia de las Velas Solares
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Primeras Ideas y Descubrimientos
La idea de usar la luz del sol para impulsar objetos no es nueva. En el siglo XVII, el astrónomo Johannes Kepler notó que la cola de los cometas siempre apuntaba lejos del Sol. Él pensó que el Sol debía ejercer algún tipo de fuerza que las empujaba. Más tarde, en 1873, James Clerk Maxwell calculó esta fuerza en su teoría del electromagnetismo. En 1899, Piotr Lébedev confirmó esta idea con experimentos.
Kepler fue el primero en sugerir que se podrían diseñar naves espaciales para aprovechar esta energía. Sin embargo, la idea no se retomó seriamente hasta el siglo XX.
Avances en el Siglo XX
Los primeros en estudiar a fondo las velas solares fueron científicos soviéticos. El físico Konstantín Tsiolkovski y el ingeniero Friedrich Zander investigaron la posibilidad de viajes interplanetarios con velas solares en 1924.
En 1951, se publicó el primer artículo técnico sobre velas solares, llamado "Clipper Ships of Space". Siete años después, en 1958, apareció un trabajo sobre velas solares en una revista científica. A mediados de los años 60, la NASA comenzó a investigar esta tecnología. El desarrollo de materiales muy ligeros, como el PET (un tipo de plástico), ha hecho que el interés por las velas solares crezca mucho.
En 1960, el satélite Echo 1, un gran globo metalizado, demostró el efecto de la presión solar al ser empujado y dañado por ella.
Uso Accidental y Planificado
En 1974, la sonda Mariner 10 tuvo problemas de combustible. Para ahorrarlo, los científicos decidieron usar sus paneles solares como pequeñas velas, orientándolos para que la presión de la luz del Sol les diera un empuje extra. Esto ayudó a la misión a continuar.
Más tarde, para la sonda MESSENGER, se planeó usar la presión de la luz solar para frenarla y ayudarla a entrar en órbita alrededor de Mercurio. Estas maniobras se realizaron con éxito, lo que demostró la utilidad de las velas solares para ahorrar combustible.
Algunos satélites de comunicaciones, como los indios INSAT y los europeos Inmarsat, ya usan paneles reflectantes para controlar su posición con este método.
Proyectos y Competiciones
A finales de los años 70, la NASA propuso enviar una sonda con velas solares al cometa Halley, pero el proyecto se canceló porque la tecnología no estaba lista a tiempo.
En los años 80, se crearon organizaciones en Estados Unidos, Francia y Japón dedicadas a la navegación con velas solares. En 1998, la Agencia Espacial Europea (ESA) y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) comenzaron a trabajar juntos en esta tecnología.
La NASA ha realizado pruebas exitosas de despliegue de velas a escala en cámaras de vacío. En mayo de 2022, la NASA anunció un proyecto llamado Diffractive Solar Sailing, que usará rejillas especiales en las velas para aprovechar la difracción de la luz y mejorar la maniobrabilidad.
Lanzamientos Orbitales y Despliegues
El 4 de febrero de 1993, la Agencia Espacial Federal Rusa desplegó con éxito el Znamya 2, un reflector de 20 metros, desde la estación MIR. Fue una prueba de despliegue, no de propulsión.
El 9 de agosto de 2004, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) desplegó dos prototipos de vela solar desde un cohete. Eran velas muy delgadas, de solo 7.5 micras de grosor.
En enero de 2011, la NASA logró desplegar con éxito una vela solar en órbita con el minisatélite NanoSail-D.
Pruebas de Propulsión
Hasta ahora, la sonda IKAROS, lanzada en mayo de 2010, es la única que ha usado una vela solar de 20 metros de lado para impulsarse parcialmente.
Hubo un intento anterior en 2001 con el satélite Cosmos 1, pero el cohete falló. Otro intento en 2008 con la sonda NanoSail-D también falló por un problema en el cohete.
¿Cómo Funcionan las Velas Solares?
Fotones y Empuje
Las velas solares funcionan de manera similar a las velas de un barco. Una vez en el espacio, la nave despliega una gran membrana que actúa como un espejo. Esta membrana refleja los fotones que vienen del Sol. Cuando un fotón rebota en la vela, le transfiere una pequeña cantidad de energía, lo que genera un pequeño empuje en la dirección opuesta. Cuanto más reflectante sea la lámina, más empuje recibirá la nave.
La dirección del empuje se puede cambiar girando la vela con respecto al Sol, lo que permite modificar la trayectoria de la nave.
El empuje de los fotones es muy pequeño. Cerca de la Tierra, la presión de la luz solar es de solo 9 microNewtons por metro cuadrado, lo que equivale a una fuerza de unos 10 gramos de peso por cada 10.000 metros cuadrados. Por eso, las velas deben ser muy grandes, de entre 80 y 160 metros de largo, para mover una nave con carga útil.
Ventajas de las Velas Solares
Una gran ventaja de las velas solares es que no necesitan llevar combustible. Esto reduce mucho el peso de la nave. En los cohetes actuales, el combustible puede ser hasta el 25% del peso total de una sonda.
Reducir el peso del combustible es crucial para viajes tripulados a otros planetas. Por ejemplo, una nave que fuera y volviera a Marte necesitaría el 99% de su peso solo en combustible. Las velas solares podrían hacer los viajes espaciales mucho más económicos.
La aceleración de una vela solar es muy lenta, alrededor de 1 milímetro por segundo al cuadrado. Esto es 60.000 veces menos que la de un cohete. Sin embargo, como el empuje es constante, en un año la velocidad podría aumentar en 30 kilómetros por segundo, superando a las sondas más rápidas actuales. Estudios sugieren que velas más ligeras podrían alcanzar velocidades de 100 kilómetros por segundo o más.
Limitaciones de las Velas Solares
- Lanzamiento inicial: Las velas solares no son adecuadas para órbitas bajas alrededor de la Tierra, porque la atmósfera, aunque muy tenue, las frenaría. Por eso, siempre necesitan un cohete para salir de la atmósfera.
- Maniobrabilidad: Aunque pueden cambiar de dirección, la maniobrabilidad de las velas solares es un desafío. Pueden viajar en dirección opuesta al Sol disminuyendo su velocidad, lo que las acerca al Sol. También pueden usar la asistencia gravitacional de los astros para cambiar de dirección.
- Empuje bajo: La fuerza que los fotones ejercen sobre la vela es muy pequeña.
Los principales desafíos tecnológicos para las velas solares son:
- Fabricar velas ultrafinas y ultraligeras que sean muy resistentes.
- Poder doblar y guardar el material de la vela en un espacio pequeño.
- Desplegar la vela con éxito en el espacio.
- Controlar una estructura tan grande y ligera a la vez.
Debate sobre su Viabilidad
En 2003, hubo un debate sobre si las velas solares eran realmente posibles. Algunos científicos cuestionaron si los fotones podían transferir impulso de la manera esperada. Sin embargo, otros físicos refutaron estas dudas, explicando que las teorías del electromagnetismo de Maxwell ya habían predicho este efecto y que experimentos de laboratorio lo confirmaban. Además, se recordó que la presión solar ya se había calculado con éxito en muchas sondas y satélites. La sonda IKAROS, al aumentar su velocidad gracias a su vela, confirmó la viabilidad de esta tecnología.
Tipos de Velas Fotónicas
Las velas fotónicas se diseñan de diferentes maneras para mantenerse desplegadas. Las dos ideas principales son usar una estructura de mástiles y cables, o hacer girar la vela para que se mantenga extendida por la fuerza centrífuga.
- Velas de tres ejes: Son las que usan una estructura de mástiles. Las más estudiadas son las velas cuadradas, con cuatro mástiles diagonales. La nave y su equipo se colocan en la parte de la vela que no recibe luz, para protegerse del calor y la radiación.
- Heliogiros: Son velas giratorias que se extienden como las aspas de un helicóptero. La idea es que la propia rotación las mantenga desplegadas sin necesidad de mástiles, ahorrando peso. Sin embargo, se descubrió que el material tendría que ser muy resistente, lo que aumentaría su grosor y peso. Además, es difícil cambiar la dirección de un objeto que gira por su inercia giroscópica.
- Vela circular: También es un tipo de vela giratoria, con láminas que se extienden desde un gran anillo central que gira. Este diseño permite que la vela se despliegue como un abanico, lo cual ya se ha probado con éxito.
Impulso por Láser o Microondas
Algunos científicos creen que la velocidad máxima que se puede alcanzar solo con la luz del Sol es demasiado baja. Por eso, se ha investigado la posibilidad de enviar energía desde la Tierra usando láseres o microondas para impulsar las naves.
- Impulso por láser: Con un láser, las sondas podrían dirigirse directamente a su objetivo con velocidades iniciales muy altas, acortando los tiempos de viaje. Los láseres son más eficientes porque su luz es más pura. Sin embargo, es difícil mantener el haz enfocado a grandes distancias, y la energía del láser no es "gratis" como la del Sol. Se necesitaría mucha energía para impulsar una nave con láser.
- Impulso por microondas: Las velas impulsadas por microondas son una alternativa prometedora. Aunque las microondas se dispersan más que los láseres, son más fáciles de controlar y menos dañinas para las velas. Se han propuesto diseños de velas que usarían una malla de hilos de aluminio o fibra de carbono para rebotar las microondas. Algunos diseños incluso plantean usar una pintura especial en la vela que se evapore con las microondas, creando un efecto similar al de un motor a reacción y generando un impulso muy potente.
Velas de Plasma
Las velas de plasma, a diferencia de las velas fotónicas, sí usan el viento solar para impulsarse. No son superficies sólidas, sino redes de cables que generan un campo magnético o eléctrico. Este campo interactúa con el plasma del viento solar, empujando la nave.
Aunque el viento solar produce mucho menos empuje que la luz, la "superficie efectiva" de estas velas depende de la intensidad del campo generado, no del tamaño físico de la red. Esto significa que no es necesario construir una red tan extensa.
Existen dos tipos principales de velas de plasma:
- Vela magnética (magsail): Consiste en generar una magnetosfera (una burbuja magnética) alrededor de la nave, que es empujada por el viento solar. Se han propuesto diseños que generarían un campo magnético de decenas de kilómetros de radio.
- Vela eléctrica: Este diseño usa una red de cables que generan un campo eléctrico. El plasma solar reacciona con este campo como si fuera una superficie física. Un diseño propuesto por Pekka Janhunen consiste en 50 a 100 hilos radiales de unos 20 kilómetros cada uno. Aunque el cable es muy delgado, el campo eléctrico hace que cada hilo tenga una anchura efectiva de 50 metros, lo que da una gran superficie de empuje con muy poco peso.
Las velas de plasma aún tienen muchos desafíos, como la refrigeración y cómo transferir el impulso del campo a la nave.
Materiales para Velas Solares
La eficiencia de las velas solares depende mucho de lo ligeros que sean los materiales. Los materiales más usados en las pruebas son láminas plásticas aluminizadas.
- Kapton: Es un polímero de la imida (poliimida) de 2 micras de grosor, unas 50 veces más fino que una hoja de papel. Soporta bien la radiación y temperaturas altas. A veces se usa como soporte para una capa muy fina de aluminio, que luego se quema para dejar solo el aluminio, haciendo la vela aún más ligera.
- Mylar: Es un tipo de PET de 5 micras de grosor, unas cuatro veces más delgado que una bolsa de plástico. Es barato y fácil de conseguir, pero no es tan duradero para viajes largos.
- Fibra de carbono: Se ha propuesto para velas impulsadas por microondas (llamadas "velas grises"). Este material es muy poroso y resistente, y puede soportar temperaturas muy altas.
En el futuro, se especula con materiales aún más ligeros, como láminas de aluminio de solo 30 a 100 nanómetros de grosor, con pequeños agujeros para reducir el peso. También se ha pensado en redes de nanotubos, que podrían pesar menos de 0.1 gramos por metro cuadrado, ¡treinta veces más ligeros que los materiales actuales! Sin embargo, estos materiales son muy delicados y difíciles de fabricar a gran escala.
Velas Solares en la Ficción
Las velas solares han aparecido en la ciencia ficción desde principios del siglo XX, pero se hicieron más populares en los años 70. El escritor Arthur C. Clarke es uno de los autores que más ha explorado esta tecnología en sus historias.
Libros
- Extraordinarias aventuras de un sabio ruso (1889-1896) de Fora y Grafinia, es uno de los primeros libros en mencionar veleros solares.
- The lady who sailed the sun (1960) de Cordwainer Smith.
- El planeta de los simios (1963) de Pierre Boulle, describe una nave con una vela muy fina impulsada por la radiación solar.
- Sunjammer (1964) de Arthur C. Clarke, explora a fondo los viajes con velas solares, incluyendo una carrera entre la Tierra y la Luna.
- Mundo Anillo (1970) de Larry Niven, presenta naves impulsadas por láser y viento solar.
- Fuentes del paraíso (1979) de Arthur C. Clarke, dedica un capítulo a una sonda extraterrestre con forma de velero.
- La Paja en el Ojo de Dios (1975) de Larry Niven y Jerry Pournelle, donde una civilización extraterrestre llega en un velero solar impulsado por láser.
Películas y Series de Televisión
- La serie Enlightenment (1983) de la saga Doctor Who, muestra una carrera de veleros solares.
- La película El planeta del tesoro (2002) de Walt Disney, tiene un velero llamado R.L.S. Legacy como nave principal.
- En la saga de Star Wars, el Conde Dooku tiene un velero solar que aparece brevemente en el Episodio II (2002).
- La nave espacial Covenant de la película Alien: Covenant (2017) es propulsada por velas solares.
- La vela solar bajorana aparece en la serie de televisión de Star Trek: Deep Space 9.
Galería de imágenes
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Prototipo de vela solar de 20 metros, desarrollado por la NASA.
-
Agrupación de diodos láser.
-
Tereftalato de polietileno metalizado, el material más económico con el que se ensayan velas solares.
Véase también
En inglés: Solar sail Facts for Kids
