IKAROS y LIGHTSAIL

2010 promete ser un buen año para el desarrollo de las velas solares. Tanto La Sociedad Planetaria como la agencia espacial japonesa JAXA tienen previsto lanzar misiones con velas solares durante este año.

Las bases de la propulsión por la acción de la luz en las velas solares son muy sencillas. Los fotones, a pesar de no tener masa tienen mucha energía, al golpear la superficie de la vela solar que actúa como un espejo ceden momento a ésta, y así sufre una aceleración. La ventaja es que esta aceleración es constante, a diferencia de la de los cohetes que sólo dura unos minutos. Por lo tanto aunque la aceleración sufrida es muchísimo más pequeña, al seguir durante mucho más tiempo las velocidades conseguidas pueden ser muy altas.

Cuanto mayor el peso por superficie la aceleración es más pequeña. Cuanto más lejos del Sol también. Hay propuestas para utilizar lasers de potencia enorme con base en el espacio para solventar esto.

Los retos principales son conseguir una vela lo más ligera posible (menos peso, más empuje), para lo cual el grosor de ésta es un factor importante, sin obviar que la carga debe ser lo más ligera posible, y el despliegue de ésta en el espacio.

La Sociedad Planetaria recientemente realizó junto con los rusos, en el 2001 y en el 2005, dos intentos de lanzar una vela solar, la Cosmos 1. Ambos fracasaron por problemas en el lanzamiento.

Media década después, con una tecnología mucho mejor, intentará lanzar en los próximos años tres ambiciosas misiones con el objetivo de demostrar la validez del método de propulsión de las velas solares y de su utilidad en diferentes actividades. Es el proyecto LightSail.

La primera LightSail 1 será lanzada a finales de este año. Intentará demostrar la posibilidad de desplazarse mediante la única ayuda de los fotones solares. Contará de tres cubesat, el nuevo concepto de microsatélites de un tamaño de 10x10x10 cm. Uno para la electrónica y dos para las velas.
Con un total de 5 kg y cuatro velas en forma de diamante y con una superficie de 32 m² será colocada en una órbita a 800 km de altura.
Con la ayuda de telescopios con base en la Tierra y con los instrumentos de a bordo se medirá con precisión el aumento de energía orbital. Se espera una aceleración de 0.06 mm/s².
La nave viajará como carga secundaria en algún lanzamiento todavía a seleccionar.

LightSail-1 de Rick Sternbach. Crédito: Planetary Society

LightSail 2 será mas ambiciosa y durará meses. Llevará instrumentos para realizar mediciones de la Tierra, y servirá para mejorar la experiencia navegando con velas solares. Demostrará que es posible aumentar la energía orbital y cambiar de órbita haciendo útiles las velas, tanto dentro de la órbita terrestre como más allá de ésta.

LightSail 3 se desplazará hacia L1 demostrando que las velas solares podrían servir de estaciones de vigilancia de las tormentas solares.

Las velas están hechas de una membrana de Mylar aluminizado de 4.5 micras de grosor, la cuarta parte que la del plástico de una bolsa de basura.

La vela solar japonesa IKAROS además de la demostración de la física de las velas solares tiene como objetivo:
- Poner a prueba un sistema único de despliegue de la vela.
- Generar electricidad a través de una célula solar ultrafina incorporada a la misma vela.
- Demostrar un original sistema de dirección.
Además medirá el polvo dentro del sistema solar interior y los estallidos gamma.

El sistema de posición de la vela usa una tecnología que controla la reflectividad de la vela. ‘Congelando’ una zona de ésta se reduce la reflectividad de ésta por lo que se reduce el empuje de la luz y se puede cambiar la posición de la vela.

IKAROS irá junto a la ‘Venus Climate Orbiter’AKATSUKI(PLANET-C), de la cual se separará tras un mes del lanzamiento, y navegará hacia Venus los siguientes seis meses.
La vela irá enrollada alrededor del cuerpo principal de la nave, y se desplegará con ayuda de la fuerza centrífuga a 20 rpm. EL espesor de ésta es algo mayor que la de La Sociedad Planetaria, 7.5 micras.





Es de esperar que el desarrollo de unas células solares necesariamente ultrafinas para las velas solares dé algún tipo de aplicación tecnológica aquí abajo.

La Sociedad Planetaria y JAXA realizan una campaña en conjunto para dar publicidad a sus misiones.


¿Qué podemos esperar en un plazo de unas pocas décadas de las velas solares?

Más allá de la velas de Mylar o Kapton aluminizadas, se podrían fabricar con láminas ultrafinas de aluminio.

El máximo de reflectividad se consigue con 30 nanómetros, alrededor de 200 veces más fino que las velas comentadas arriba. Aun así el espesor óptimo es de unos pocos nanómetros para mejorar la proporción empuje-masa. Se conseguirían aceleraciones de 0.3 m/s² a 1UA, mucho mayores que los 0.06 mm/s² de la LightSail 1.

Este grosor es 10.000 veces más fino que el papel de aluminio de cocina, y como sabéis es un material que se rompe fácilmente al manipularlo. Para evitarlo se podría recubrir la lámina ultrafina de aluminio en un plástico que la protegería hasta el momento de su total despliegue, en un punto más cercano al Sol, donde el plástico se desintegraría bajo la acción de la luz solar, dejando sólo la lámina de aluminio. Pero sin sobrepasar los 0.2 UA donde el aluminio se derretiría.

Después, en vez de láminas ultrafinas, podríamos fabricar mallas, con unos filamentos de 5 nanómetros de grosor y unos 50 nanómetros de distancia entre filamentos, inferior a la mitad de la longitud de onda de la luz. La aceleración a 1 UA será ya de 1m/s². Plutón a una distancia de 40 días.

Si la vela solar fuese fabricada de una malla de nanotubos de carbono (densidad 0.1 g/m² incluyendo carga) la aceleración a 1 UA sería de 10 m/s². Para esto sería necesario el poder fabricar nanotubos de alrededor de un metro. Una pasada aproximándose a 4 radios solares del Sol de una vela solar así, aceleraría la vela a una respetable velocidad del 4.2% de c. ¡¡La estrella más cercana a 100 años y Plutón a 6 días!! El sistema solar a una semana de viaje para cualquier sonda robótica, sería una revolución para la exploración científica del sistema solar. Personalmente no creo que tardemos mucho en conseguir nanotubos de carbono de tal longitud.

Voy a hacer una predicción con la velas solares. Creo que antes de 15 años se enviará una vela solar al estilo Voyager que cruzará todo el sistema solar y que irá más allá.

Nanocomp ya es capaz de fabricar hojas de nanotubos de carbono, aunque todavía no cumplen los requisitos para poder utilizarlas en las velas solares.






PD: Gracias a DarkSapiens por algunas correcciones ortográficas realizadas en el texto.