Su nombre es Sunjammer y su destino es el punto 1 de Lagrange para investigar la acción solar

La vela solar de kapton será lanzada el próximo mes de noviembre

Pascual Bolufer. AECC10/09/2014
La vela solar es un método de propulsión para sondas y naves espaciales, alternativo o complementario al uso de motores. La vela solar capta el empuje producido por fuentes externas a la nave, de manera que ésta no necesita transportar consigo ni motor ni combustible, aligerando el peso de la nave, y pudiendo alcanzar así mayores velocidades.

En función de la fuente de impulso hay dos clases de velas, la de fotones y la de plasma. Aquí nos ocuparemos solamente de la de fotones. Ésta consiste en una gran superficie compuesta por una o varias láminas reflectantes, muy ligeras, capaces de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar para obtener impulso. La vela de fotones se puede diseñar también para aprovechar las ondas electromagnéticas generadas por el hombre, desde tierra, por ejemplo el láser.

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La vela Sunjammer, cuadrada. A la izquierda el sur de Italia. Simulación de vuelo. Apreciamos su altitud snm.

Debido a la escasa potencia que ofrece la vela solar, necesita ser lanzada al espacio por medio de un cohete convencional. Fuera ya de la atmósfera su aceleración es muy lenta, pudiendo tardar más de un día en aumentar su velocidad en 100 km/h. Sin embargo, a diferencia de los cohetes, el empuje sobre la vela se aplica de forma ininterrumpida, por lo que en el tiempo una sonda con vela solar puede alcanzar velocidades muy superiores a las obtenidas mediante los actuales sistemas de propulsión a chorro.

De las velas lanzadas hasta el momento solo ha tenido éxito la vela Ikaros, estamos en los comienzos. En el siglo XVII el astrónomo Johannes Kepler observó que la cola de los cometas, en el cielo, siempre apunta en la dirección opuesta al sol, y de ahí dedujo que el Sol debía generar algún tipo de fuerza de repulsión. Tal fuerza fue calculada en 1873 por James C.Maxwell en su teoría del electromagnetismo, según la cual la luz debía ejercer una presión sobre los objetos. La predicción fue comprobada experimentalmente.

En el siglo XX los científicos emprenden el diseño de la vela solar. En 1958 aparece un trabajo en Jet Propulsion. En 1974 Mariner I0 usó la presión de la luz en las cercanías del Sol. La sonda Messenger en su viaje al planeta Mercurio también usó la presión de la luz solar. La NASA desde 2001-2005 se propone alcanzar el punto Lagrange 1 con una vela solar. El 20 de mayo de 2010 la JAXA japonesa lanzó una vela solar, junto con el satélite Planet-C con una vela solar de 20m de diámetro, Ikaros, que se desplegó correctamente.

En enero 2011 la NASA consiguió por primera vez desplegar con éxito una vela solar en órbita con el 2º minisatélite NanoSail D.

El impulso de los fotones

La mecánica cuántica introdujo el concepto de la dualidad onda corpúsculo, según la cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa. Todas las ondas electromagnéticas, ya sean luminosas o microondas, pueden considerarse como un chorro de fotones. A pesar de que los fotones carecen de masa en reposo, la Teoría de la Relatividad, resumida en la famosa ecuación: E=mc2, establece que cada vez que la energía se mueve de un sitio a otro, se comporta en parte como si se estuviese moviendo una masa.

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El punto 1 de Lagrange L1 se encuentra entre el sol (izquierda) y la Tierra (derecha) más cerca de la Tierra, en donde la gravitación solar y terrestre se iguala.

La cantidad de movimiento, o momento lineal de una partícula se define como el producto de su masa por su velocidad. Pero aplicando la mecánica relativista, la masa de una partícula varía con la velocidad, y por tanto la fórmula p=mv (‘p’ es el momento inicial, ‘m’ la masa y ‘v’ la velocidad) debe incluir el factor de Lorentz (g) escribiéndose entonces p=gmv. En el espacio vacío los fotones se mueven a la velocidad de la luz c, por lo que si se despeja la masa en la ecuación de Einstein, y se introduce en la ecuación del momento lineal, se obtiene que la energía E y el momento lineal p estas partículas están relacionadas con la siguiente expresión: E-c.p

Cada fotón tiene una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, definida por la fórmula: E= hv, donde ‘E’ es la energía del fotón, ‘h’ es la constante de Planck y ‘v’ es la frecuencia de la onda.

Combinando las dos ecuaciones se obtiene que el momento lineal del fotón ‘p’ depende únicamente de la frecuencia de la onda: p= h.v / c. (el momento lineal de un fotón se puede definir: p=h/ lambda).

Por tanto, a mayor longitud de onda menor será la energía y el momento lineal del fotón. Cuando un fotón es reflejado por una superficie, éste vuelve a la misma velocidad, pero con una longitud de onda ligeramente mayor, lo que equivale a ceder parte de su energía (o lo que es lo mismo: el momento inicial) a la superficie impactada. Es este impulso inicial el que impulsa la nave, o vela solar.

El momento inicial del fotón es realmente pequeño: observando la 1ªfórmula vemos que es la energía del fotón dividida por la velocidad de la luz. La irradiancia en las inmediaciones de la órbita terrestre es de 1366 w/m2, lo que origina un empuje de 4,7 micronewtons/m2.

El viento solar

Es muy conocido: debido a las temperaturas extremas del sol, gran parte de la materia en la atmósfera, o corona solar, está disgregada en forma de plasma, un gaa de partículas ionizadas, que en el sol está compuesto en un 95% por protones y electrones. Parte de este plasma es expulsado hacia el exterior generando el llamado viento solar, que se desplaza a velocidades de unos 350 km/s. A pesar de que las partículas del viento solar son mucho más escasas que los fotones, y viajan 1.000 veces más lentas que éstos, tienen una masa mucho mayor, por lo que el empuje originado por cada partícula, transmitida en forma de energía cinética, es mayor que el ocasionado por los fotones.

La propulsión

La vela solar funciona como una vela marina: una vez lanzada al espacio la nave espacial despliega una gran membrana, que actúa a modo de espejo, reflejando los fotones procedentes del sol, lo que genera un pequeño impulso en dirección contraria. Cuanto más reflejante sea la lámina, más empuje recibirá la nave. Puesto que el empuje se produce en la dirección perpendicular a la vela, girando ésta respecto a sol, se puede modificar la trayectoria de la nave.

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Los trajes de kapton aíslan al astronauta del frio exterior. Los usaron el 7 de diciembre 1972 cuando fueron a la Luna con el Apolo 17.

Debido al escaso empuje de la presión solar, las velas deben ser de grandes dimensiones. Se estima que son necesarias velas de entre 80 y 160 m de longitud, para ofrecer suficiente impulso, para desplazar a una nave con carga útil. La vela también se puede desplazar desde tierra con un láser. El concepto se ha definido como ‘dejar el motor en tierra’. Con ello se elimina el peso del motor y el del combustible, lo cual supone el 25% del peso de la nave. A modo de ejemplo, si hubiese que transportar el peso del combustible de ida y vuelta una nave impulsada por cohetes con destino a Marte, tendría que emplear casi su propio peso en combustible, lo que dificulta y encarece cualquier exploración humana, más allá de la Luna. De momento no se puede considerar el transporte de seres humanos con vela solar, pero esta tecnología es más económica.

La presión de la radiación solar, según nos alejamos de nuestra estrella, decrece a razón del cuadrado de la distancia. Las trayectorias idóneas para conseguir una buena propulsión implican orientar la vela aproximadamente a 35.5º con respecto al sol, de manera que el empuje obtenido se mantenga y acumule durante más tiempo sin alejarse de la estrella. Las mejores estrategias conllevan acercarse al sol para captar la máxima radiación posible, antes de alejarse definitivamente. La aceleración que cabe esperar en una buena vela solar es del orden de 1 mm/s2. Esto es 60.000 veces menos que la que dan los cohetes. Sin embargo al ser el empuje constante, con esa aceleración a lo largo de un año la velocidad habrá aumentado en 30km/s, superando así a la sonda más rápida actual. La sonda New Horizons alcanzó la velocidad de 22.88 km/s.

Un estudio de la ESA concluye que una 2ª generación de veleros solares, con velas más ligeras (de 1 a 5 gr/m2) podría conseguir aceleraciones de entre 1 y 3 mm/s2, alcanzando una velocidad final de 100km/s o superiores.

Las velas solares no son apropiadas para órbitas terrestres de baja altitud, porque son frenadas por una tenue atmósfera remanente, y siguen necesitando un cohete que las ponga en órbita fuera de la atmósfera. Las velas solares son capaces de viajar en dirección opuesta al sol. El modo de hacerlo es orientar el empuje en la dirección opuesta a la marcha de la nave. De este modo se disminuye la velocidad, lo que originará que su órbita decaiga acercándose a sol. También se puede aprovechar la atracción gravitatoria de distintos astros para cambiar de dirección.

La tecnología de las velas solares está en un incipiente proceso de desarrollo: urge fabricar las velas usando un filme ultrafino y ultraligero, pero de suficiente resistencia mecánica y térmica. Saber desplegar la vela con éxito en el espacio.

La vela más estudiada es la cuadrada, con 4 mástiles diagonales. La nave se sitúa en la cara oscura, protegida del calor y de la radiación. La vela circular estudiada por el JPL, está compuesta por láminas radiales, unidas a un gran anillo giratorio. Este diseño permite el despliegue en abanico de la vela, posibilidad que ya ha sido probada con éxito.

Impulso por láser

Se trata de lograr una velocidad más elevada que la lograda con fotones. La solución es aumentar el empuje enviando energía desde Tierra, en forma de láser o de microondas. El láser tiene la ventaja de ser una radiación electromagnética casi monocromática, y por tanto es posible diseñar reflectores más eficientes que los usados para la radiación solar, de espectro amplio. Pero también tiene inconvenientes: la energía que se necesitaría es un impulso de 1.2 GW de potencia, para hacer levitar a una ardilla. Es la energía que consume un pueblo de 3.000 habitantes. El tiempo de impulso es relativamente corto, debido a la rotación terrestre. Se podría usar un láser para frenar una nave en retorno: la vela regresando velozmente y ya cercana podría aprovechar el empuje de un láser para detenerse.

Kapton

La eficiencia de la vela solar está ligada a la ligereza de los materiales empleados, láminas plásticas aluminizadas, de 2 micras de grosor, fabricada con un polímero de la imida (poliimida), llamado kapton, desarrollado por DuPont. Es unas 50 veces más fino que una hoja de papel. Kapton es el soporte de la vela, y el aluminio es la superficie reflectora. El kapton soporta la radiación y temperaturas de hasta 400º, e igualmente el frio desde -269º. El aluminio soporta hasta 600º. En el vacío espacial, una vez desplegada la vela, y la nave próxima al sol, podemos tolerar que el kapton se queme, obteniendo así una vela de muy bajo peso. Pero la vela queda así desprotegida de posibles desgarros producidos por micrometeoritos. En vez de kapton podemos utilizar mylar, de orientación biaxial, pero no es suficientemente duradero para viajes largos. La vela de kapton aluminizado pesa 12 gr/m2.

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La misión China Chang´e-3 desplegará un rover en la superficie de la Luna. La vela solar no sirve como propulsor a un rover.

DuPont fabrica la poliimida kapton desde hará unos 45 años, muy fiable y duradera, con una combinación única de propiedades eléctricas, térmicas, químicas y mecánicas, que le permiten soportar temperaturas extremas y vibración, excelente para la industria espacial. Kapton sirve como tela para el traje espacial del astronauta.

Kapton k es poli 4,4 oxidifenil – piromelitimida, producida por condensación de dianhídrido piromelítico y 4,4´oxidifenilamina. En la síntesis de kapton ocurre una polimerización por pasos, gradual. En su fórmula molecular los anillos se cierran a altas temperaturas de 200-300º. La conductividad de kapton a temperaturas muy bajas (1-5 kelvin) es elevada. Su conductividad unida a sus buenas cualidades dieléctricas lo han convertido es un material favorito criogénico. Es un aislante eléctrico a bajas temperaturas, y aislante en la industria de alto vacío.

Las poliimidas adoptan dos formas: La 1ª es una estructura lineal donde los átomos del grupo imida forman parte de la cadena lineal. La 2ª es una estructura heterocíclica donde el grupo imida forma parte de una unidad cíclica en la cadena polimérica. Las poliimidas htrrocíclicas aromáticas son típicas de las poliimidas comerciales, como el kapton, de DuPont. Estos polímeros tienen unas características mecánicas y térmicas tan increíbles, que son utilizados en lugar de los metales y el vidrio en muchas aplicaciones y en la industria espacial. Estas características provienen de fuertes interacciones intermoleculares entre las cadenas del polímero. Las desventaja de las poliimidas es que no se funden, y se deben fabricar por maquinado o taladrado.

En el módulo lunar Apolo se utilizó película de kapton aluminizada, para aislamiento térmico. La lanzadera espacial de la NASA también usa kapton. Para la vela espacial la NASA considera al kapton como un material que dura mucho en el ambiente espacial.

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Referencias

  • Jason, L. The termal conductivity of kapton HN between 0.5 and 5 kelvin. Cryogenics 40, 203-207.
  • NASA description of the sunshield ngst.gsfc.nasa.gov. 2012.Wright J. Space sailing. Taylor and Francis April 2012.
  • Megusar, J. Gamma irradiation of kapton polyimide films. Journal of nuclear materials,245, 185-190.
  • Greenemeyer L. Voyaging to the stars on a solar breeze. Scientific American 2009.

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