Una vela solar és una manera de propulsar una nau espacial utilitzant la pressió de la llum i els gasos d' alta velocitat (també anomenats pressió de la llum solar) emesos per una estrella. Fem una ullada més de prop al seu dispositiu.
L'ús d'una vela significa un viatge espacial de baix cost combinat amb una vida útil més llarga. A causa de la manca de moltes peces mòbils, així com de la necessitat d'utilitzar propulsor, aquest vaixell és potencialment reutilitzable per al lliurament de càrregues útils. De vegades també s'utilitzen els noms de llum o vela de fotons.
Història conceptual
Johannes Kepler es va adonar una vegada que la cua d'un cometa aparta la mirada del Sol i va suggerir que és l'estrella la que produeix aquest efecte. En una carta a Galileu l'any 1610, va escriure: "Proporcioneu al vaixell una vela adaptada a la brisa solar, i hi haurà qui s'atreveixi a explorar aquest buit". Potser, amb aquestes paraules, es referia precisament al fenomen de la "cua de cometa", tot i que les publicacions sobre aquest tema van aparèixer uns quants anys després.
James K. Maxwell als anys 60 del segle XIX va publicar la teoria del camp electromagnètic iradiació, en què va demostrar que la llum té impuls i, per tant, pot exercir pressió sobre els objectes. Les equacions de Maxwell proporcionen la base teòrica per a la locomoció per pressió lleugera. Per tant, ja el 1864, se sabia dins i fora de la comunitat física que la llum solar porta un impuls que exerceix pressió sobre els objectes.
Primer, Pyotr Lebedev va demostrar experimentalment la pressió de la llum el 1899, i després Ernest Nichols i Gordon Hull van realitzar un experiment independent similar el 1901 utilitzant el radiòmetre Nichols.
Albert Einstein va introduir una formulació diferent, reconeixent l'equivalència de massa i energia. Ara podem escriure simplement p=E/c com la relació entre el moment, l'energia i la velocitat de la llum.
Svante Arrhenius va predir el 1908 la possibilitat que la pressió de la radiació solar transportés espores vives a distàncies interestel·lars i, com a resultat, el concepte de panspèrmia. Va ser el primer científic que va afirmar que la llum podia moure objectes entre estrelles.
Friedrich Zander va publicar un article que inclou una anàlisi tècnica de la vela solar. Va escriure sobre "l'ús de làmines de miralls enormes i molt primes" i "la pressió de la llum solar per aconseguir velocitats còsmiques".
Els primers projectes formals per desenvolupar aquesta tecnologia van començar l'any 1976 al Jet Propulsion Laboratory per a una proposta de missió de trobada amb el cometa Halley.
Com funciona una vela solar
La llum afecta tots els vehicles de l'òrbita del planeta o dinsespai interplanetari. Per exemple, una nau espacial convencional amb destinació a Mart estaria a més de 1.000 km del Sol. Aquests efectes s'han tingut en compte en la planificació de la trajectòria dels viatges espacials des de la primera nau espacial interplanetària a la dècada de 1960. La radiació també afecta la posició del vehicle, i aquest factor s'ha de tenir en compte en el disseny del vaixell. La força sobre la vela solar és d'1 newton o menys.
L'ús d'aquesta tecnologia és convenient en òrbites interestel·lars, on qualsevol acció es realitza a un ritme baix. El vector de força de la vela lleugera s'orienta al llarg de la línia del sol, la qual cosa augmenta l'energia i el moment angular de l'òrbita, fent que la nau s'allunyi més del sol. Per canviar la inclinació de l'òrbita, el vector força està fora del pla del vector velocitat.
Control de posició
El sistema de control d'actitud (ACS) d'una nau espacial és necessari per arribar i canviar la posició desitjada mentre viatja per l'Univers. La posició establerta de l'aparell canvia molt lentament, sovint menys d'un grau per dia a l'espai interplanetari. Aquest procés es produeix molt més ràpid a les òrbites dels planetes. El sistema de control d'un vehicle amb vela solar ha de complir tots els requisits d'orientació.
El control s'aconsegueix mitjançant un desplaçament relatiu entre el centre de pressió del recipient i el seu centre de massa. Això es pot aconseguir amb pales de control, movent veles individuals, movent una massa de control o canviant el reflector.habilitats.
La posició dempeus requereix que l'ACS mantingui el parell net a zero. El moment de força de la vela no és constant al llarg de la trajectòria. Canvia amb la distància al sol i l'angle, que corregeix l'eix de la vela i desvia alguns elements de l'estructura de suport, donant lloc a canvis de força i parell.
Restriccions
La vela solar no podrà treballar a una altitud inferior a 800 km de la Terra, ja que fins a aquesta distància la força de resistència de l'aire supera la força de pressió lleugera. És a dir, la influència de la pressió solar es nota feblement i simplement no funcionarà. La velocitat de gir del vaixell de vela ha de ser compatible amb l'òrbita, que sol ser només un problema per a les configuracions de disc giratori.
La temperatura de funcionament depèn de la distància solar, l'angle, la reflectivitat i els radiadors frontals i posteriors. La vela només es pot utilitzar quan la temperatura es mantingui dins dels seus límits materials. En general, es pot utilitzar bastant a prop del sol, al voltant de 0,25 UA, si el vaixell està dissenyat amb cura per a aquestes condicions.
Configuració
Eric Drexler va fer un prototip de vela solar amb un material especial. Es tracta d'un marc amb un panell de pel·lícula fina d'alumini amb un gruix de 30 a 100 nanòmetres. La vela gira i ha d'estar constantment sota pressió. Aquest tipus d'estructura té una gran superfície per unitat de massa i per tantacceleració "cinquanta vegades més ràpida" que les basades en pel·lícules de plàstic desplegables. És una vela quadrada amb pals i línies bessones al costat fosc de la vela. Quatre pals que s'entrecreuen i un perpendicular al centre per subjectar els cables.
Disseny electrònic
Pekka Janhunen va inventar la vela elèctrica. Mecànicament, té poc en comú amb el disseny de llum tradicional. Les veles es substitueixen per cables conductors (filferros) rectes disposats radialment al voltant del vaixell. Creen un camp elèctric. S'estén diverses desenes de metres al plasma del vent solar que l'envolta. Els electrons solars es reflecteixen pel camp elèctric (com els fotons en una vela solar tradicional). El vaixell es pot governar regulant la càrrega elèctrica dels cables. La vela elèctrica té entre 50 i 100 cables redreçats, d'uns 20 km de llarg.
De què està fet?
El material desenvolupat per a la vela solar de Drexler és una fina pel·lícula d'alumini de 0,1 micròmetres de gruix. Com era d'esperar, ha demostrat prou força i fiabilitat per utilitzar-lo a l'espai, però no per plegar, llançar i desplegar.
El material més comú en els dissenys moderns és la pel·lícula d'alumini "Kapton" de 2 micres de mida. Resisteix a les altes temperatures prop del Sol i és prou fort.
Hi havia alguns teòricsespeculacions sobre l'aplicació de tècniques de fabricació molecular per crear una vela avançada, forta i ultralleugera basada en quadrícules de teixit de nanotubs on els "buits" teixits són menys de la meitat de la longitud d'ona de la llum. Aquest material només es va crear al laboratori i els mitjans per a la fabricació a escala industrial encara no estan disponibles.
La vela lleugera obre grans perspectives per als viatges interestel·lars. Per descomptat, encara hi ha moltes preguntes i problemes que s'hauran d'afrontar abans de viatjar per l'univers amb un disseny d'una nau espacial que esdevingui una cosa habitual per a la humanitat.
