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Velas de Fotones
Cristobal Perez-Castejon Carpena
Una de las propuestas mas interesantes que existen para el desarrollo de una nave interplanetaria es lo que se conoce como "velero solar" o "vela de fotones". El principio básico en el que se apoya es bien sencillo. Cualquier estrella emite hacia el exterior un flujo constante de fotones y otras partículas. Un velero solar se basa en que este flujo, llamado "viento del sol", puede ser recogido en una vela y utilizado como medio de propulsión.
El empuje que genera este sistema es minúsculo, del orden de millonésimas de newton por metro cuadrado expuesto a la presión del viento del sol. Pero tiene la ventaja de que es constante y gratuito, y puesto que en el espacio no existe rozamiento, cualquier velocidad adquirida mediante este procedimiento permanecerá así casi indefinidamente. Una nave propulsada por una vela de fotones es capaz de recorrer la totalidad del sistema solar sin necesidad de combustible. Además, resultan relativamente baratas de construir: todas las tecnologías implicadas están actualmente a nuestro alcance.
Sin embargo, no están exentas de inconvenientes. Para empezar, son naves que solo funcionan en el espacio: son necesarias instalaciones orbitales para poder transbordar la carga útil desde la superficie del planeta. En segundo lugar, la presión que generan las partículas solares es muy reducida, y disminuye conforme nos alejamos del sol: la máxima eficiencia solo se consigue en la parte interna del sistema solar. Son naves de baja aceleración, y por tanto con tiempos de trayecto entre planetas elevados. Para aprovechar mejor la presión de la radiación, la respuesta mas evidente es la de utilizar la máxima superficie de vela. Pero eso supone utilizar un velamen del orden de hectáreas... lo que dificulta enormemente su gestión. Especialmente problemática puede resultar la aparición de ondas estacionarias, debidas a cambios de gradiente local en la presión recibida. También resulta difícil el cambio de orientación de la nave y es necesario un tipo de material extraordinariamente fino y reflectante para su construcción. Por ultimo, solo pueden acelerar hacia el exterior del sistema: si queremos utilizar veleros solares para tráfico bidireccional, es necesario utilizar algunas estrategias especiales, incluyendo la posibilidad de plegar o cambiar la orientación de una vela de kilómetros cuadrados de superficie.
Ninguno de estos inconvenientes resulta excesivo. En la actualidad ya disponemos de materiales lo suficientemente ligeros y fáciles de manufacturar como para cumplir con los requerimientos de una vela de fotones. La gestión se simplifica dividiendo la vela en paneles independientes controlados por un modulo central: el efecto final seria el de una persiana, que en modo "cerrado" capturaría la radiación solar proporcionando impulso de aceleración o frenado y en modo "abierto" dejaría pasar esa misma radiación libremente. Con la apertura y el cierre selectivo de paneles podríamos conseguir fácilmente un control de actitud mediante impulso diferencial y con un hábil dimensionamiento de los mismos se eliminaría de raíz el problema de las ondas estacionarias.
En cuanto a la navegación, no supone un problema en absoluto. Los especificaciones del sistema son simples: tenemos una fuente de radiación central, un sistema para captarla que produce impulso a partir de la presión recibida y queremos utilizar esta fuente de impulso para navegar bien en sentido contrario a la fuente de radiación o bien directamente hacia la misma. En el espacio no existe rozamiento... por lo que no se puede navegar dando bordadas, como en un velero terrestre, en contra del viento. Pero sin embargo, podemos utilizar otra fuerza muchísimo mas importante: la gravedad.
Así que un perfil típico de misión seria el siguiente:
1) Navegamos HACIA AFUERA del sistema solar
Por las propias necesidades de la propulsión, tenemos que partir desde una posición en órbita del planeta de origen. En estas condiciones, el velero comenzara a girar en torno al planeta. Durante el segmento de la órbita en que reciba el sol por detrás, los paneles estarán cerrados y la nave acelerara. Durante el segmento de la órbita en el que el sol este de frente, los paneles estarán abiertos y la nave se moverá sin impulso. De este modo ira adquiriendo mas y mas velocidad hasta superar la velocidad de escape. Al llegar a ese punto, la nave inicia el viaje interplanetario manteniendo una aceleración continua proporcionada por la presión de la radiación: el velero solar navega a favor del viento.
En el punto de destino, se puede utilizar el procedimiento inverso (frenar dando vueltas al planeta) o bien soltar la vela y utilizar frenado atmosférico.
Es importante tener en cuenta que en cualquier caso, estamos hablando de una misión con una duración de meses o años, dependiendo del destino. Por tanto, la nave debera apuntar hacia el lugar en el que estará el objetivo de la misión varios meses mas tarde. Debido a esto, en determinadas ocasiones se pueden utilizar planetas intermedios como catapulta gravitatoria para incrementar todavía mas la velocidad y disminuir el tiempo de transito.
En general, este perfil no tiene muchos problemas, ni de aceleración, ni de frenado, pero lógicamente la fase de aceleración esta favorecida...
2) Navegamos HACIA DENTRO del sistema solar, en dirección al sol.
Problemas:
a) Nos movemos en contra del viento solar. La mayor parte del viaje, la vela tiene que permanecer desplegada en el modo de "baja resistencia", con los paneles abiertos.
b) Cuanto mas lejos del sol, menos presión del viento, y mas trabajo nos costara acelerar...
La fase inicial de la trayectoria es idéntica a la del caso anterior. De nuevo partimos de la órbita de un planeta y usamos la misma estrategia: aceleración por segmentos hasta adquirir la velocidad de escape. El problema es que al acabar esta fase, la nave ya no puede utilizar la vela durante el resto de la trayectoria. Los "rebotes" con planetas para aprovechar el principio de la honda gravitatoria se vuelven indispensables.
Especialmente interesante puede ser utilizar Júpiter para la fase de aceleracion: su alta velocidad de escape puede emplearse para aumentar la velocidad considerablemente.
La llegada al punto de destino no tiene problemas: se frena frente al sol y punto.
El único problema serio de las velas solares es que tienen un tiempo de respuesta extraordinariamente lento: con una aceleración de millonésimas de g no se pueden llevar a cabo maniobras bruscas. Pero por ejemplo, serian ideales para el establecimiento de una ruta de transporte de mercancías Tierra/Cinturón de asteroides (por ejemplo): desde la Tierra navegarían con aceleración constante hasta el Cinturón y desde los asteroides podría navegarse con aceleración hasta Júpiter, continuar acelerando en órbita del planeta y conseguir una órbita de trayectoria sin impulso con destino a la Tierra.
Y todo perfectamente controlable por un sistema de guía automático y con coste de combustible nulo...
Existe otra alternativa: la utilización de un "sol" artificial en forma de rayo láser extraordinariamente intenso y estrecho. Este procedimiento tiene la ventaja de que proporciona una aceleración constante e independiente de la trayectoria, incluso frente a la presión de la radiación solar. Además, soluciona también el problema de la baja intensidad del viento de partículas en el sistema solar externo, haciendo factible la vela de fotones como nave interestelar.
El problema es que el láser gasta energía a patadas, y además necesita estar perfectamente enfocado sobre la nave, con un haz de apertura mínima para reducir las perdidas. Para naves interestelares es la única alternativa viable. En cambio, para naves automáticas intrasistema es muchísimo mejor la primera opción.
Con todas estas características, no es de extrañar que los veleros solares sean uno de los modelos de nave mas populares del genero. Entre las obras de ciencia ficción que tratan en profundidad este tema tenemos: "Viento del Sol", de Arthur C. Clarke. Indispensable. Para mi gusto, lo mejor que se ha escrito sobre veleros solares con diferencia. La narración de la regata de yates solares es impresionante, un prodigio de rigor y exactitud científica en un relato extraordinariamente interesante. Las estrategias de navegación están perfectamente explicadas y se describen varios modelos posibles de "vela" de regalo. La nave del protagonista utiliza una sola vela con paneles desplegables controlados por ordenador. Así mismo, esta dotada de un sistema de amortiguación de vibraciones mediante obenques. Un cuento por el que no pasan los años...
Nota de Zephyros: está claro, la vela es la vela
Cristobal Perez-Castejon Carpena
Una de las propuestas mas interesantes que existen para el desarrollo de una nave interplanetaria es lo que se conoce como "velero solar" o "vela de fotones". El principio básico en el que se apoya es bien sencillo. Cualquier estrella emite hacia el exterior un flujo constante de fotones y otras partículas. Un velero solar se basa en que este flujo, llamado "viento del sol", puede ser recogido en una vela y utilizado como medio de propulsión.
El empuje que genera este sistema es minúsculo, del orden de millonésimas de newton por metro cuadrado expuesto a la presión del viento del sol. Pero tiene la ventaja de que es constante y gratuito, y puesto que en el espacio no existe rozamiento, cualquier velocidad adquirida mediante este procedimiento permanecerá así casi indefinidamente. Una nave propulsada por una vela de fotones es capaz de recorrer la totalidad del sistema solar sin necesidad de combustible. Además, resultan relativamente baratas de construir: todas las tecnologías implicadas están actualmente a nuestro alcance.
Sin embargo, no están exentas de inconvenientes. Para empezar, son naves que solo funcionan en el espacio: son necesarias instalaciones orbitales para poder transbordar la carga útil desde la superficie del planeta. En segundo lugar, la presión que generan las partículas solares es muy reducida, y disminuye conforme nos alejamos del sol: la máxima eficiencia solo se consigue en la parte interna del sistema solar. Son naves de baja aceleración, y por tanto con tiempos de trayecto entre planetas elevados. Para aprovechar mejor la presión de la radiación, la respuesta mas evidente es la de utilizar la máxima superficie de vela. Pero eso supone utilizar un velamen del orden de hectáreas... lo que dificulta enormemente su gestión. Especialmente problemática puede resultar la aparición de ondas estacionarias, debidas a cambios de gradiente local en la presión recibida. También resulta difícil el cambio de orientación de la nave y es necesario un tipo de material extraordinariamente fino y reflectante para su construcción. Por ultimo, solo pueden acelerar hacia el exterior del sistema: si queremos utilizar veleros solares para tráfico bidireccional, es necesario utilizar algunas estrategias especiales, incluyendo la posibilidad de plegar o cambiar la orientación de una vela de kilómetros cuadrados de superficie.
Ninguno de estos inconvenientes resulta excesivo. En la actualidad ya disponemos de materiales lo suficientemente ligeros y fáciles de manufacturar como para cumplir con los requerimientos de una vela de fotones. La gestión se simplifica dividiendo la vela en paneles independientes controlados por un modulo central: el efecto final seria el de una persiana, que en modo "cerrado" capturaría la radiación solar proporcionando impulso de aceleración o frenado y en modo "abierto" dejaría pasar esa misma radiación libremente. Con la apertura y el cierre selectivo de paneles podríamos conseguir fácilmente un control de actitud mediante impulso diferencial y con un hábil dimensionamiento de los mismos se eliminaría de raíz el problema de las ondas estacionarias.
En cuanto a la navegación, no supone un problema en absoluto. Los especificaciones del sistema son simples: tenemos una fuente de radiación central, un sistema para captarla que produce impulso a partir de la presión recibida y queremos utilizar esta fuente de impulso para navegar bien en sentido contrario a la fuente de radiación o bien directamente hacia la misma. En el espacio no existe rozamiento... por lo que no se puede navegar dando bordadas, como en un velero terrestre, en contra del viento. Pero sin embargo, podemos utilizar otra fuerza muchísimo mas importante: la gravedad.
Así que un perfil típico de misión seria el siguiente:
1) Navegamos HACIA AFUERA del sistema solar
Por las propias necesidades de la propulsión, tenemos que partir desde una posición en órbita del planeta de origen. En estas condiciones, el velero comenzara a girar en torno al planeta. Durante el segmento de la órbita en que reciba el sol por detrás, los paneles estarán cerrados y la nave acelerara. Durante el segmento de la órbita en el que el sol este de frente, los paneles estarán abiertos y la nave se moverá sin impulso. De este modo ira adquiriendo mas y mas velocidad hasta superar la velocidad de escape. Al llegar a ese punto, la nave inicia el viaje interplanetario manteniendo una aceleración continua proporcionada por la presión de la radiación: el velero solar navega a favor del viento.
En el punto de destino, se puede utilizar el procedimiento inverso (frenar dando vueltas al planeta) o bien soltar la vela y utilizar frenado atmosférico.
Es importante tener en cuenta que en cualquier caso, estamos hablando de una misión con una duración de meses o años, dependiendo del destino. Por tanto, la nave debera apuntar hacia el lugar en el que estará el objetivo de la misión varios meses mas tarde. Debido a esto, en determinadas ocasiones se pueden utilizar planetas intermedios como catapulta gravitatoria para incrementar todavía mas la velocidad y disminuir el tiempo de transito.
En general, este perfil no tiene muchos problemas, ni de aceleración, ni de frenado, pero lógicamente la fase de aceleración esta favorecida...
2) Navegamos HACIA DENTRO del sistema solar, en dirección al sol.
Problemas:
a) Nos movemos en contra del viento solar. La mayor parte del viaje, la vela tiene que permanecer desplegada en el modo de "baja resistencia", con los paneles abiertos.
b) Cuanto mas lejos del sol, menos presión del viento, y mas trabajo nos costara acelerar...
La fase inicial de la trayectoria es idéntica a la del caso anterior. De nuevo partimos de la órbita de un planeta y usamos la misma estrategia: aceleración por segmentos hasta adquirir la velocidad de escape. El problema es que al acabar esta fase, la nave ya no puede utilizar la vela durante el resto de la trayectoria. Los "rebotes" con planetas para aprovechar el principio de la honda gravitatoria se vuelven indispensables.
Especialmente interesante puede ser utilizar Júpiter para la fase de aceleracion: su alta velocidad de escape puede emplearse para aumentar la velocidad considerablemente.
La llegada al punto de destino no tiene problemas: se frena frente al sol y punto.
El único problema serio de las velas solares es que tienen un tiempo de respuesta extraordinariamente lento: con una aceleración de millonésimas de g no se pueden llevar a cabo maniobras bruscas. Pero por ejemplo, serian ideales para el establecimiento de una ruta de transporte de mercancías Tierra/Cinturón de asteroides (por ejemplo): desde la Tierra navegarían con aceleración constante hasta el Cinturón y desde los asteroides podría navegarse con aceleración hasta Júpiter, continuar acelerando en órbita del planeta y conseguir una órbita de trayectoria sin impulso con destino a la Tierra.
Y todo perfectamente controlable por un sistema de guía automático y con coste de combustible nulo...
Existe otra alternativa: la utilización de un "sol" artificial en forma de rayo láser extraordinariamente intenso y estrecho. Este procedimiento tiene la ventaja de que proporciona una aceleración constante e independiente de la trayectoria, incluso frente a la presión de la radiación solar. Además, soluciona también el problema de la baja intensidad del viento de partículas en el sistema solar externo, haciendo factible la vela de fotones como nave interestelar.
El problema es que el láser gasta energía a patadas, y además necesita estar perfectamente enfocado sobre la nave, con un haz de apertura mínima para reducir las perdidas. Para naves interestelares es la única alternativa viable. En cambio, para naves automáticas intrasistema es muchísimo mejor la primera opción.
Con todas estas características, no es de extrañar que los veleros solares sean uno de los modelos de nave mas populares del genero. Entre las obras de ciencia ficción que tratan en profundidad este tema tenemos: "Viento del Sol", de Arthur C. Clarke. Indispensable. Para mi gusto, lo mejor que se ha escrito sobre veleros solares con diferencia. La narración de la regata de yates solares es impresionante, un prodigio de rigor y exactitud científica en un relato extraordinariamente interesante. Las estrategias de navegación están perfectamente explicadas y se describen varios modelos posibles de "vela" de regalo. La nave del protagonista utiliza una sola vela con paneles desplegables controlados por ordenador. Así mismo, esta dotada de un sistema de amortiguación de vibraciones mediante obenques. Un cuento por el que no pasan los años...
Nota de Zephyros: está claro, la vela es la vela
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