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 esta, y así sufre una aceleración. La ventaja es que esta aceleración es constante a diferencia de la de los cohetes que solo dura unos minutos. Por lo tanto aunque la aceleración sufrida es muchísimo mas pequeña al seguir durante mucho mas tiempo las velocidades conseguidas pueden ser muy altas.
Cuanto mayor el peso por superficie la aceleración es mas pequeña. Cuanto mas 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 mas ligera posible(- peso + empuje), para lo cual el grosor de esta es un factor importante, sin obviar que la carga debe ser los mas ligera posible, y el despliegue de esta en el espacio.
La Sociedad Planetaria recientemente realizo 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, intentara 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. Intentara demostrar la posibilidad de desplazarse mediante la única ayuda de los fotones solares. Contara de tres cubesat, el nuevo concepto de microsatélites de un tamaño de 10cmx10cmx10cm. 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 orbita a 800 km de altura.
Con la ayuda de telescopios con base en la Tierra y con los instrumentos de abordo se medirá con precisión el aumento de energía orbital. Se espera una aceleración de 0.06 mm/s2.
La nave viajara como carga secundaria en algún lanzamiento todavía a seleccionar.
LightSail-1 de Rick Sternbach. Credito: Planetary Society

LightSail 2 será mas ambiciosa y durara meses. Llevara instrumentos para realizar mediciones de la Tierra, y servirá para mejorar la experiencia navegando con velas solares. Demostrara que es posible aumentar la energía orbital y cambiar de orbita haciendo útiles las velas, tanto dentro de la orbita terrestre como mas allá de esta.
LightSail 3 se desplazara 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 esta se reduce la reflectividad de esta por lo que se reduce el empuje de la luz y se puede cambiar la posición de la vela.

IKAROS ira junto la ‘Venus Climate Orbiter’AKATSUKI(PLANET-C), de la cual se separara tras un mes del lanzamiento, y navegara hacia Venus los siguientes seis meses.
La vela ira enrollada alrededor del cuerpo principal de la nave, y se desplegara con ayuda de la fuerza centrífuga a 20 rpm. EL espesor de esta 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 de algún tipo de aplicación tecnológica aquí abajo.
La Sociedad Planetaria y JAXA realizan una campaña en conjunto para dar publicidad a sus misiones.
¿Que podemos esperar en una plazo de unas pocas décadas de la velas solares?

Mas allá de la velas de Mylar o Kapton aluminizadas, se podrían fabricar con laminas ultrafinas de aluminio.
El máximo de reflectividad se consigue con 30 nanometros, alrededor de 200 veces mas fino que las velas comentadas arriba. Aun así el espesor optimo 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 LightSails 1.
Este grosor es 10.000 veces mas fino que el papel de aluminio de cocina, y como sabéis es un material que se romper fácilmente al manipularlo. Para evitarlo se podría recubrir la lamina ultrafina de aluminio en un plástico que la protegería hasta el momento de su total despliegue, en un punto mas cercano al Sol, donde el plástico se desintegraría bajo la acción de la luz solar, dejando solo la lamina de aluminio. Pero sin sobrepasar los 0.2 UA donde el aluminio se derretiría.
Después en vez de laminas 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 seria de 10 m/s2. Para esto seria 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 mas cercana a 100 años y Plutón a 6 días!! El sistema solar a una semana de viaje para cualquier sonda robótica, seria 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 enviara una vela solar al estilo Voyager que cruzara todo el sistema solar y que ira mas 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.