Mostrando entradas con la etiqueta velas solares. Mostrar todas las entradas
Mostrando entradas con la etiqueta velas solares. Mostrar todas las entradas

viernes, 9 de julio de 2010

¿Dónde invertir? Nanotecnología molecular o exploración espacial

Aunque discrepo, parece que la situación actual de los programas espaciales, hace que la gente tienda al pesimismo a la hora de imaginar la evolución de estos, en los próximos años o décadas. Tanto como para decir que no volveremos a la Luna, ni mucho menos a Marte, en 100 años.

En mi opinión cualquiera que realice un pronóstico tan pesimista para 30 años en adelante sin contar con la nanotecnología molecular (MNT), simplemente no sabe qué es ésta, o en todo caso no lo ve como algo posible, más bien como algo de la ciencia-ficción.

La MNT traerá una colonización del espacio espectacular, realmente barata y accesible incluso para la gente normal y corriente. Supondrá un salto tan grande, como si se pasase en el mundo de la aviación de los diseños de Leonardo a un Concorde en un par de décadas y no 500 años.

Veamos unos ejemplos de lo puede hacer la MNT por la carrera espacial.

-HLLV realmente económicos.

Tomemos el caso del Ares V. A continuación haré unos cálculos muy aproximativos.

El ares V hubiese poseído una masa total aproximada de alrededor de 3700 Tn, 400 de ellas siendo peso seco, 150 de carga, y el resto combustible. Tomando un coste de alrededor de 1000$/kg de cohete vacío, daría alrededor de 400 millones de $ lo cual esta cerca de los 500-1000 millones de $ que se suponía que habría costado un Ares V listo para lanzar (gracias a Daniel por el dato).

Mediante MNT se podrían sustituir los materiales del cohete por otros de resistencia superior (diamantoide), permitiendo una reducción espectacular de peso, posiblemente entre un 90% o un 98%. Seré conservador y consideraré una reducción de peso de tan sólo un 90%. Eso permitiría reducir el peso del cohete sin combustible a 40 Tn. Esas 350 Tn de diferencia podrían ir a la carga útil, que sería ahora de 550 Tn.

El coste de cualquier producto obtenido por MNT sería equivalente al de otros productos que ya obtenemos por MNT natural, los productos de agricultura, inferior a 1$/kg. Eso reduciría el coste a 40.000$, lo cual está cerca de los 60.000$ que estimó Drexler que costaría fabricar una lanzadera de las existentes con MNT. Lo mismo que un coche de lujo. Estimo que el coste del combustible se ve reducido igualmente gracias a la MNT.

Pasaríamos de una situación de 500-1000 millones$/cohete para 150 Tn, a una de 60.000$/cohete para 550 Tn, lo cual daría que por el precio de un ARES V ahora, con MNT podríamos colocar 30.000-60.000 veces más carga en órbita, alrededor de 4,5-9 millones de toneladas. Lo cual es la masa de uno o dos hábitats espaciales pequeños, unas cuantas bases lunares, o estaciones de energía solar en órbita (SPS) como para sustituir un par de centenares de centrales nucleares (a kg/m2 y rendimiento de panel solar actual).

-Trajes espaciales tan finos que parecería que estás desnudo en el espacio. Capaz de repararse o de usar la energía solar para convertir el CO2 y el agua en oxígeno y comida.

-Sistemas de soporte vital para ambientes cerrados, Closed Environment Life Support System (CELSS), capaces de reciclar perfectamente desechos de las colonias, transformándolos en materias útiles.

-Space thethers y ascensores espaciales.

-Velas solares gigantescas de nanómetros de grosor y km de radio, capaces de alcanzar un porcentaje pequeño de c.

-Nanobots capaces de reparar el ADN por los defectos de la radiación, capaces de impedir que los huesos y los músculos se debiliten.

-Formas de biostasis a temperatura ambiente. Como la criónica pero sin el frío, ideal para los viajes largos.

Por lo tanto, en un par de décadas después de poder realizar MNT podríamos tener hábitats espaciales, colonias con grandes poblaciones en muchos sitios del sistema solar, y ser capaces de realizar la primera misión interestelar.

Toda la exploración espacial pre-MNT quedará empequeñecida ante lo conseguido una vez tengamos MNT. Igual hubiese sido al fabricar el Concorde que Leonardo hubiese experimentado con 10 o con 30 modelos de aparatos voladores.

Podríamos sacar de conclusión que mejor sería desviar el dinero invertido en la exploración espacial en conseguir MNT cuanto antes. Si en vez de 2040 por dar una fecha posible, los esfuerzos internacionales consiguiesen que la tuviésemos para el 2025, merecería la pena que hasta entonces la carrera espacial se hubiese detenido momentáneamente.

¿O no?

Las armas tan letales que podrían ser fabricadas con MNT, la cantidades en las que se podrían fabricar en un tiempo récord, su bajo precio, y su fácil acceso, haría de la posibilidad de la extinción de la humanidad o de opresión por un gobierno tirano una posibilidad muy grande. Por lo tanto mejor sería tener cierta parte de la humanidad fuera de la cuna, viviendo de forma independiente. Una bases en la Luna o en Marte con una población lo suficientemente numerosa sería adecuado, o incluso en asteroides.

Existe otra posibilidad, y es que una vez tengamos MNT la aceleración tecnológica sea tal que nos lleve por un camino en que prefiramos explorar hacia dentro en vez de hacia fuera, despreciando la colonización del espacio. Este sería del caso de un escenario con ‘mind uploading’. Si eres capaz de simular una esfera de Dyson para trillones de personas, y con un detalle indistinguible de la realidad, colonizar el espacio quizás no resulte interesante. Si además tenemos en cuenta que esas mentes irán aceleradas, la colonización espacial real podría resultarles demasiado pasmosa.

Podría pasar que de surgir la MNT demasiado pronto, hubiese una migración masiva de población terrestre al espacio, antes de que se crease una legislación que administrase las propiedades sobre las superficies del sistema solar, creándose por tanto conflictos por los lugares del sistema solar más adecuados.
Éste es el escenario ‘Sooner’ presentado por Tom McKendree en ‘Planning Scenarios for Space Development’, donde se envían sondas automatizadas con MNT a asteroides condríticos ricos en carbono, la cuales construyen colonias listas para habitar. Provocando que los colonizadores que salen en masa de la Tierra utilicen proyectiles a más de 40 km/s para aniquilar a los competidores por esas colonias.
Una situación poco agradable. El resultado es una prohibición de los vuelos espaciales fuera de la Tierra hasta que surja una legislación que controle la propiedad sobre el sistema solar.
Este escenario contempla MNT que usa sólo carbono, en mi opinión si se ampliase al silicio, el escenario cambiaría, puesto que el silicio es de los materiales más abundantes del sistema solar, y por lo tanto no habría esa limitación en la creación de colonias (el carbono es escaso).
En el escenario ‘Sooner’ la situación del programa espacial es la actual.

Por el contrario en el otro escenario, ‘Slow and planned’, la MNT tarda más, por lo que varios países ya tienen colonias en la Luna, se empieza a explorar los asteroides con intención de usar sus recursos, y se ponen en órbita los primeros prototipos de SPS. Así, cuando surge la MNT, ya hay una legislación que controla la adquisición de terrenos a lo largo del sistema solar. No surgen conflictos cuando la población terrestre se desplaza al sistema solar.

Eso sí, retrasarla sí que sería una mala idea, puesto que haría más probable que otros las consiguiesen. ‘Otros’ es malo si no es una nación democrática.
Es necesario que la MNT surja en el seno se una colaboración de diferentes naciones democráticas, para garantizar su uso adecuado y evitar su abuso. La primera nación o grupo que desarrolle MNT podría adquirir demasiado poder en un tiempo récord, tanto como para tentarle la posibilidad de dominar a los demás.

Sí, realmente es un poco complicado.
Mi opinión es que ante los peligros potenciales de la MNT, deberíamos potenciar la inversión en la colonización espacial, junto a una colaboración internacional, para que en su momento los huevos no estén todos juntos en la misma cesta. A su vez deberíamos invertir más en MNT igualmente en un esfuerzo internacional, para asegurar la adquisición de esta poderosa tecnología, antes que otras naciones o grupos sin escrúpulos.


‘Planning Scenarios for Space Development’ by Thomas L. McKendree

‘Implications of Molecular Nanotechnology Technical Performance Parameters on Previously Defined Space System Architectures’ by Thomas L. McKendree

‘NSS Position Paper on Space and Molecular Nanotechnology’ by Tihamer Toth-Fejel and Tom McKendree

domingo, 11 de abril de 2010

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.
La vida ha colonizado cada rincón de la Tierra, ya es hora de ayudarla a colonizar todo el sistema solar.