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Introducción a las Velas Solares
Elías Selvanovich
Velas Solares
Si se desarrolla convenientemente esta tecnología, ciertamente en un futuro próximo la Humanidad tal vez pueda emprender la exploración de todo el Sistema Solar...
ace cuarenta mil años, las buenas épocas en que el Sahara estaba cubierto por una rica vegetación están ya lejos. El glaciar que cubría Europa retrocede haciendo más templado el viejo continente y secando la zona del norte de África. Un grupo de Homo Sapiens, al despertarse se da cuenta que una manada de renos, que se encontraba siempre con ellos, se había desplazado hacia el Este. Aún sin poder comunicarse entre ellos, de a uno se van levantando y tomando dirección Este. Siguen a la manada, pues desde que empezó la escasez, ésta siempre se dirigió a donde se encontraban los alimentos. Luego de un largo periplo de varios meses, nuestros antepasados llegan a un lugar al que le queda algo de vegetación, situado en la zona del Tánger, al noreste de África. Pero a medida que van llegando a la costa del Atlántico, se dan cuenta de que ya no hay nada más allá sino agua y más agua, y que ésta no es dulce como en los oasis sino salada. Admirados con este nuevo descubrimiento mirándose unos a otros, pese a que no se decían nada, se sientan y se disponen a recolectar algunos frutos y a pescar...

Si comparamos, ¿qué tan diferentes somos de esos homínidos?, pues ellos se encontraban a las orillas de un océano de agua y nosotros estamos actualmente en las orillas de un océano cósmico. Al igual que nuestros antepasados, estamos dando nuestros primeros pasos hacia un lugar desconocido para nosotros, que -quién sabe- al otro lado puede contener nuevas tierras exóticas para que las exploremos. Revisando la historia antigua, tuvieron que pasar varios milenios antes de que esos grupos de proto-humanos llegaran a las costas de Santo Domingo. Para lograr esa hazaña en los primeros tiempos se construyó la balsa hecha de caña y en lo sucesivo se fue mejorando hasta llegar a los barcos impulsados por vela, los cuales llevaron a Cristóbal Colón a América.

Podríamos ponernos a jugar y establecer que las naves Gemini son como esas primeras balsas, que al igual que éstas no nos pueden llevar muy adentro de este océano cósmico, sólo sirven para explorar nuestro alrededor muy, muy inmediato. Luego, como avance, aparecieron las legendarias Apolo que nos hicieron llegar a la Luna. La distancia entre nuestro satélite natural y la Tierra es comparable con la distancia entre Argentina y las islas Malvinas. ¿Y qué es esta distancia sino un pequeño porcentaje del territorio total de la Tierra?. Unos años después aparecieron los transbordadores espaciales que todavía no ofrecían la capacidad suficiente para hacer largos viajes, en realidad se utilizan en distancias similares a las que navegaban las Gemini. ¿Y ahora? En las mesas de diseño ya hay proyectos serios sobre naves que pueden acortar los tiempos de viaje hacia esa otra pequeña isla que es Marte. Por ejemplo, naves con impulso iónico (el motor iónico se está probando actualmente en la nave Deep Space 1), o el uso de naves con Velas Solares (VS). A estas últimas nos vamos a dedicar, pues en el corto plazo eventualmente nos permitirán recorrer los confines del Sistema Solar. Y, tal vez, tengan el mismo efecto que las carabelas tuvieron en el siglo XV y empecemos por fin la colonización de un nuevo territorio cósmico. Las naves propulsadas por Velas Solares en teoría no son muy costosas y, pese a que sus velas inducen aceleraciones muy pequeñas, éstas están siempre presentes, lo cual luego de varios días, semanas o meses terminarán por conceder, siempre que las velas estén adecuadamente orientadas, velocidades mucho mayores que las Voyager o las Pioneer, actualmente nuestras naves más rápidas.

Antecedentes y descripción
Hace 400 años, el astrónomo Johannes Kepler se encontraba estudiando a los cometas, maravillado con la cola de éstos. Luego de varias observaciones dedujo que el origen de esta cola provenía de un supuesto viento solar. Al llegar a esta suposición concluyó que en algún futuro se iba a poder navegar por el espacio mediante velas aprovechando este "viento". Ahora sabemos que lo que vio Kepler no era otra cosa sino el efecto de la presión de los fotones solares sobre las partículas de polvo que se encuentran en los cometas. Y aunque esta presión es muy chica (en la Tierra no podemos sentirla debido a la atmósfera) sólo podemos utilizarla en el vacío del espacio.

Los primeros científicos que propusieron el uso de la presión solar como forma de propulsión fueron rusos. Uno fue el pionero del espacio Konstantin Tsiolkovsky y el otro fue el ingeniero Friedrich Arturovich Tsander, el cual en el año 1924 escribió "En estos momentos estoy trabajando en la idea de volar utilizando enormes espejos que sean muy finos". Una de las primeras naves que utilizó este tipo de tecnología fue la Mariner 10, la cual usó la luz solar para controlar su orientación. También a finales de la década del '70 y principios de los '80 se pensó en la utilización de velas para lograr un encuentro con el cometa Halley, pero la NASA canceló el proyecto pues sus altos directivos no creían que se lograría construir una vela para el año 1981.

Las VS están formadas por largas hojas, las cuales están bañadas, en la parte que mira al Sol, de un material sumamente reflexivo. Este lado recibe los rayos del Sol (fotones) que le imparten una fuerza, conocida también como presión por radiación solar, la cual es muy chica. Orientando adecuadamente a la vela, se puede hacer que esta fuerza favorezca al movimiento que, como dijimos con anterioridad, terminará por producir luego de cierto tiempo una velocidad considerablemente superior a las que se obtienen en la actualidad. El concepto de navegación con VS es fácil de entender, simplemente se trata de convertir la luz solar en alguna forma eficiente de propulsión. Para eso, la vela es un espejo que recibe la luz solar y por consiguiente una fuerza cuya dirección depende del ángulo que formen la luz solar y la vela. Cuando se piensa en una Vela Solar generalmente se cree, erróneamente, que utilizan para moverse el llamado viento solar. En realidad, este "viento" esta formado por partículas ionizadas eyectadas por el Sol. Pero la densidad de este viento es tan chica que es más productivo utilizar la presión producida por los fotones.

Aprendiendo Navegación
Fuerzas actuantes en un Velero
Figura 1: Esquema simplificado de las fuerzas que actúan en un velero.
Para aprender a navegar con las VS, es necesario repasar algunos conceptos básicos de la mecánica newtoniana. Primeramente hay que recordar la Segunda Ley de Newton, la cual establece que si un objeto tiene un movimiento acelerado, es porque sobre él está actuando una fuerza con la misma dirección y sentido que aquella aceleración. En la figura I se observa como a un barco se le están aplicando dos fuerzas, las cuales generan una tercera que es la resultante. El proceso de encontrar la fuerza resultante se entiende mejor si pensamos que las fuerzas son vectores o "flechas", es decir entidades matemáticas que tienen módulo, dirección y sentido. De esta forma la fuerza resultante surge de simplemente "sumar" vectorialmente todas las fuerzas intervinientes. Volviendo a nuestro barco, éste tendrá una aceleración en la dirección de la fuerza resultante, de acuerdo a la Segunda Ley de Newton. Una vez entendido esto, la pregunta sería: ¿Cuáles son las fuerzas que van a actuar en una Vela Solar?

Bueno, para simplificar nuestra charla, vamos a suponer que disponemos de una nave de prueba orbitando en torno al Sol. En general nuestra nave describirá una órbita elíptica, y sobre ella actuará una fuerza gravitatoria debida al Sol. Esta fuerza es la responsable que nuestra nave describa una trayectoria curvilínea, estando situada además sobre la línea Sol-nave. Como Newton establece que en teoría todos los cuerpos del Universo actuarán, o harán sentir sus fuerzas gravitatorias sobre nuestra nave de prueba, vamos a suponer que todas estas fuerzas son despreciables comparadas con la que ejerce el Sol.

Una vez que nuestra nave en órbita despliegue su Vela Solar, según la orientación de ésta la nave experimentará una segunda fuerza, que es la que le imparte la presión por radiación solar. Es decir que la fuerza resultante que actúa sobre nuestra nave solar, y que gobierna su movimiento, va a ser ahora la suma vectorial de la fuerza gravitatoria y la que actúa sobre la vela. Si ubicamos la vela de tal forma que el rayo incida por delante de la nave, se generará una fuerza desacelerante, reduciendo el tamaño de la órbita y describiendo una espiral en contracción. Se podría "navegar a favor del viento", lo cual es ideal, poniendo la vela de tal modo que los rayos incidentes sean reflejados por detrás de la trayectoria. Esto generaría una fuerza extra que haría que la nave se aleje cada vez más del Sol, describiendo una espiral en expansión. El siguiente gráfico ilustra estos casos:

Navegación con Velas Solares
Luego de esta breve explicación, se puede apreciar que el arte de navegar por el espacio no es muy diferente al de hacerlo por el mar. Pero existe un problema: a medida que nos vamos alejando del Sol el flujo solar disminuye con la inversa del cuadrado de la distancia. Entonces para navegar más allá de Júpiter casi no se va a poder utilizar este método a menos que se haga una vela mucho más grande. Una solución posible que se ideó es la de instalar un láser ( o "máser" si se emplean microondas) de alta potencia en la parte trasera de la nave, alimentado por algún tipo de energía, para que dirija su poderoso rayo hacia la vela impulsando a la nave hacia la dirección que se desee. Esta nave sería parecida a los primeros barcos con calderas de carbón, los cuales no necesitaron del viento para viajar, aunque todavía queda por resolver entre otras cosas el tipo de material que se debe usar para confeccionar la Vela Solar y que pueda resistir el impacto de los rayos láser.
 
Sobre Cosmos 1
Dibujo que muestra el lanzamiento del Cosmos 1Esta misión surge de una iniciativa privada de la Sociedad Planetaria, fundada por Carl Sagan. Esta fundación a favor del espacio posee contactos con agencias científicas de Rusia, lugar donde se está construyendo la nave y donde se realizará el lanzamiento de ésta. Los diseñadores de esta misión tomaron ventaja de la post-guerra fría ya que gracias a los tratados de reducción de armamento nuclear y misiles balísticos intercontinentales (ICBM) Rusia tiene ahora disponibles para uso pacífico cientos de misiles. Es decir, tiene 2 posibilidades: los destruye o los manda al espacio. Las entidades rusas involucradas son el Makeev Rocket Design Bureau y el Babakin Space Center.
El lanzamiento se realizará en el 2004/5, desde un submarino clase Delta III ubicado en el Mar de Barents, y el vector encargado de llevar al Cosmos 1 a órbita es una versión convenientemente modificada del Volna, un misil balístico lanzado desde submarinos del tipo SS-N-18. Como este vector no tiene el poder suficiente para llevar a la nave a los 800 km de altura necesarios, se le agregó un pequeño motor cuya única misión es lograr la altitud requerida. El único objetivo de esta misión es probar que la luz solar puede ser utilizada como forma de propulsión. Con sólo lograr que la nave cambie levemente de órbita, se considerará la misión todo un éxito.
 
Tipos de Misiones
Velas del Futuro... Las VS pueden ser utilizadas para diferentes tipos de misiones. Su tamaño y forma dependerá del destino al que queramos ir. Por ejemplo, para hacer viajes a los planetas interiores necesitaríamos una vela de 100m x 100m. En cambio para realizar una visita a Saturno, tendríamos que construir una vela un tanto más grande, algo así como de 200m x 200m. Realmente parecen muy grandes, pero la Cosmos 1 que está desarrollando la Sociedad Planetaria tendrá más o menos ese tamaño. En una primera instancia se trataría de llegar primero bastante cerca del Sol para recibir un buen impulso desde allí, ya que el flujo solar evidentemente será máximo en las cercanías de éste. Entonces se llegaría a destino en un lapso no mayor a un par de meses. Pensemos que en estos momentos se habla de tiempos de viaje a Marte de 9 meses, así que si en ese mismo tiempo llegamos a Saturno... bueno, sería muy posible la exploración humana del Sistema Solar exterior, como así también viajes mucho más frecuentes a Marte (claro que éstos se pueden hacer con velas más chicas). Finalmente, las velas podrían ser utilizadas para viajes interestelares. Esto sería posible, como se mencionó con anterioridad, mediante el empleo de un poderoso láser. Este método podría reducir el tiempo de viaje hasta Alfa Centauro muchísimo, el cual sería de unos 40 años. ¡Cuatro años luz en 40 años! Realmente una idea excitante, más si nos imaginamos lo que significa recorrer esa distancia: 3,78 x 1013 km... Para el tiempo de vida promedio de un humano cuarenta años "sigue siendo tiempo", pero ahora se habla de milenios. Sin embargo no todas son buenas noticias, realizar un proyecto como ese es algo bastante complejo, en primer lugar por el costo y en segundo por el desafío tecnológico. Para lograr algo así el láser tendría que tener un diámetro bastante generoso y tener una potencia de algunos Giga watts... Y encima las dimensiones de la vela serían del orden de 10 km X 10 km. No es imposible, en absoluto, pero requiere de voluntad política. Si hubiera una mayor cooperación entre las agencias espaciales del mundo (y entre los países) no cabe la menor duda de que se podría lograr. Un buen ejemplo es la ISS, si Estados Unidos se hubiera querido embarcar solo en ese proyecto probablemente ahora ya no tendríamos base en órbita.

Velas del Fururo...La idea de viajar a otras estrellas la llevamos todos adentro nuestro. Es un impulso, algo natural en nosotros por ir a un lugar donde nadie estuvo. Pero cuando reflexionamos, en los costos y los tiempos surge la pregunta: ¿Para qué?. Tenemos nuestro Sistema Solar, el cual está casi completamente inexplorado, porque por más que enviemos robots sumamente eficientes a los planetas nunca nada se va a igualar a nuestro criterio. Un humano es un humano, y está lejos todavía el día en que una máquina piense y razone como nosotros. Así que lo mejor, en tema de exploración, es que alguno de nosotros este allí para realizar los experimentos. La exploración y colonización de Marte (objetivo muy posible para nosotros en lapsos muy cortos) podría tener un "boost" gracias a la utilización de velas solares. Las primeras expediciones podrían llegar en un tipo así de nave. Explorarían Marte durante un determinado período de tiempo, volverían a la órbita marciana donde había quedado la nave, desplegarían la vela y..., ¡nuevamente a la Tierra!. Una vez aquí, y vista la efectividad de las velas solares, se empezarían a utilizar cada vez más, hasta que se decida establecer una pequeña colonia (que primeramente estaría habitada por científicos) a la cual llegarían suministros y relevos de personal mediante naves impulsadas con velas. Fijémonos cómo gracias a esta tecnología se puede lograr el sueño de tantas personas, desde Percival Lowell hasta nuestros días. Como dice la apertura de la serie Viaje a las Estrellas:
"El Espacio, la frontera final...". Algún día nos animaremos a cruzarla y veremos que del otro lado nos espera toda una eternidad de descubrimientos.

Elías Selvanovich

 
Capital Federal (Buenos Aires), Argentina, 14 de Setiembre de 2003.
 
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