Todos estamos familiarizados con la idea de las velas solares para explorar el Sistema Solar, utilizando la ligera presión del Sol. Pero hay otro sistema de propulsión que podría aprovechar el poder del Sol, las velas eléctricas, y es una idea bastante emocionante.
Hace unas semanas, abordé una pregunta que alguien tenía sobre mis sistemas de propulsión exóticos favoritos, y recité algunas ideas que me parecen emocionantes: velas solares, cohetes nucleares, motores de iones, etc. Pero hay otro sistema de propulsión que sigue surgiendo , y olvidé mencionarlo por completo, pero es una de las mejores ideas que he escuchado en un tiempo: velas eléctricas.
Como probablemente sepa, una vela solar funciona aprovechando los fotones de luz que salen del sol. Aunque los fotones no tienen masa, sí tienen impulso y pueden transferirlo cuando rebotan en una superficie reflectante.
Además de la luz, el Sol también expulsa un flujo constante de partículas cargadas: el viento solar. Un equipo de ingenieros de Finlandia, dirigido por el Dr. Pekka Janhunen, propuso construir una vela eléctrica que utilizará estas partículas para transportar las naves espaciales al Sistema Solar.
Para entender cómo funciona esto, necesitaré introducir algunos conceptos en tu cerebro.
Primero, el sol. Esa bola mortal de radiación en el cielo. Como probablemente sepa, hay un flujo constante de partículas cargadas, principalmente electrones y protones, que se alejan del Sol en todas las direcciones.
Los astrónomos no están completamente seguros de cómo, pero algún mecanismo en la corona del Sol, su atmósfera superior, acelera estas partículas en una velocidad de escape. Su velocidad varía de 250 a 750 km / s.
El viento solar se aleja del Sol y sale al espacio. Vemos sus efectos en los cometas, dándoles sus colas características, y forma una burbuja alrededor del Sistema Solar conocida como heliosfera. Aquí es donde el viento solar del Sol se encuentra con los vientos solares colectivos de las otras estrellas en la Vía Láctea.
De hecho, la nave espacial Voyager de la NASA recientemente atravesó esta región y finalmente se dirigió al espacio interestelar.
El viento solar causa una presión directa, como un viento real, pero es increíblemente débil, una fracción de la presión ligera que experimenta una vela solar.
Pero el viento solar contiene una corriente de protones y electrones cargados positivamente, y esta es la clave.
Una vela eléctrica funciona desenrollando un cable increíblemente delgado, de solo 25 micras de grosor, pero de 20 kilómetros de largo. La nave espacial está equipada con paneles solares y una pistola de electrones que solo requiere unos pocos cientos de vatios para funcionar.
Al disparar electrones al espacio, la nave espacial mantiene un estado de carga altamente positivo. Como los protones del Sol también están cargados positivamente, cuando se encuentran con la correa cargada positivamente, "ven" un enorme obstáculo de 100 metros de diámetro y chocan contra él.
Al impartir su impulso a la correa y a la nave espacial, los iones lo aceleran lejos del Sol.
La cantidad de aceleración es muy débil, pero es una presión constante del Sol y puede acumularse durante un largo período de tiempo. Por ejemplo, si una nave espacial de 1000 kg tuviera 100 de estos cables extendiéndose en todas las direcciones, podría recibir una aceleración de 1 mm por segundo por segundo.
En el primer segundo, viaja 1 mm, y luego 2 mm en el segundo siguiente, etc. En el transcurso de un año, esta nave espacial podría ir a 30 km / s. Solo para comparar, la nave espacial más rápida que existe, la Voyager 1 de la NASA, solo va a unos 17 km / s. Entonces, mucho más rápido, definitivamente en una velocidad de escape del Sistema Solar.
Una de las desventajas del método, en realidad, es que no funcionará dentro de la magnetosfera de la Tierra. Por lo tanto, una nave espacial eléctrica a vela necesitaría ser transportada por un cohete tradicional lejos de la Tierra antes de que pudiera desplegar su vela y dirigirse al espacio profundo.
Estoy seguro de que se pregunta si este es un viaje de ida para alejarse del Sol, pero en realidad no lo es. Al igual que con las velas solares, una vela eléctrica puede pivotar. Dependiendo de qué lado de la vela golpee el viento solar, eleva o disminuye la órbita de la nave espacial desde el Sol.
Golpea la vela por un lado y elevas su órbita para viajar al Sistema Solar exterior. Pero también puede golpear el otro lado y bajar su órbita, lo que le permite viajar hacia el Sistema Solar interior. Es un sistema de propulsión increíblemente versátil, y el Sol hace todo el trabajo.
Aunque esto suena a ciencia ficción, en realidad hay algunas pruebas en proceso. Un prototipo de satélite estonio se lanzó en 2013, pero su motor no pudo desenrollar la correa. El satélite finlandés Aalto-1 se lanzó en junio de 2017, y uno de sus experimentos es probar una vela eléctrica.
Deberíamos averiguar si la técnica es viable más adelante este año.
No solo los finlandeses están considerando este sistema de propulsión. En 2015, la NASA anunció que habían otorgado una subvención de Conceptos avanzados innovadores de Fase II al Dr. Pekka Janhunen y su equipo para explorar cómo esta tecnología podría usarse para llegar al Sistema Solar exterior en menos tiempo que otros métodos.
El sistema de tránsito rápido electrostático Heliopause, o nave espacial HERTS, extendería 20 de estas correas eléctricas hacia afuera desde el centro, formando una enorme vela eléctrica circular para atrapar el viento solar. Al girar lentamente la nave espacial, las fuerzas centrífugas estirarán las correas en esta forma circular.
Con su carga positiva, cada correa actúa como una gran barrera para el viento solar, lo que le da a la nave una superficie efectiva de 600 kilómetros cuadrados una vez que se lanza desde la Tierra. Sin embargo, a medida que se aleja de la Tierra, su área efectiva aumenta al equivalente de 1,200 km cuadrados para cuando llega a Júpiter.
Cuando una vela solar comienza a perder potencia, una vela eléctrica sigue acelerando. De hecho, seguiría acelerando más allá de la órbita de Urano.
Si la tecnología funciona, la misión HERTS podría alcanzar la heliopausa en solo 10 años. La Voyager 1 tardó 35 años en alcanzar esta distancia, 121 unidades astronómicas del Sol.
¿Pero qué hay de la dirección? Al cambiar el voltaje en cada cable a medida que gira la nave espacial, puede hacer que toda la vela interactúe de manera diferente en un lado u otro con el viento solar. Podrías dirigir toda la nave espacial como las velas en un bote.
En septiembre de 2017, un equipo de investigadores del Instituto Meteorológico de Finlandia anunció una idea bastante radical sobre cómo podrían usar velas eléctricas para explorar exhaustivamente el cinturón de asteroides.
En lugar de una sola nave espacial, propusieron construir una flota de 50 satélites separados de 5 kg. Cada uno desenrollaría su propia correa de 20 km de largo y atraería el viento solar del Sol. En el transcurso de una misión de 3 años, la nave espacial viajaría al cinturón de asteroides y visitaría varias rocas espaciales diferentes. La flota completa probablemente podría explorar 300 objetos separados.
Cada nave espacial estaría equipada con un pequeño telescopio con solo una apertura de 40 mm. Eso es aproximadamente del tamaño de un telescopio, o medio par de binoculares, pero sería suficiente para resolver las características en la superficie de un asteroide de tan solo 100 metros de ancho. También tendrían un espectrómetro infrarrojo para poder determinar de qué minerales está hecho cada asteroide.
Esa es una excelente manera de encontrar ese asteroide de $ 10 billones hecho de platino sólido.
Debido a que la nave espacial sería demasiado pequeña para comunicarse de regreso a la Tierra, tendrían que almacenar los datos a bordo y luego transmitir todo una vez que pasen por nuestro planeta 3 años después.
Los científicos planetarios con los que he hablado adoran la idea de poder inspeccionar tantos objetos diferentes al mismo tiempo, y la idea de la vela eléctrica es uno de los métodos más eficientes para hacerlo.
Según los investigadores, podrían hacer la misión por aproximadamente $ 70 millones, reduciendo el costo de analizar cada asteroide a aproximadamente $ 240,000. Eso sería barato en comparación con cualquier otro método propuesto para estudiar los asteroides.
La exploración espacial utiliza cohetes químicos tradicionales porque son conocidos y confiables. Claro que tienen sus defectos, pero nos han llevado a través del Sistema Solar, a miles de millones de kilómetros de la Tierra.
Pero hay otras formas de propulsión en las obras, como la vela eléctrica. Y en las próximas décadas, veremos más y más de estas ideas puestas a prueba. ¿Un sistema de propulsión sin combustible que puede transportar una nave espacial a los confines del Sistema Solar? Sí por favor.
Los mantendré informados cuando se prueben más velas eléctricas.
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