Siento que mis experimentos y yo parezcamos sospechosos: Solar Sails

Hablemos de velas solares, un término inexistente para mí hasta hace un mes; y como no Kepler y Maxwell aparecen en la historia de este artilugio de navegación.

Para empezar comencemos con la definición de velas solares (Wikipedia):

Una vela solar es un método de propulsión para sondas y naves espaciales alternativo o complementario al uso de motores. Las velas solares captan empujes producidos por fuentes externas a la propia nave, de manera que ésta no necesita transportar consigo ni motor ni combustible, aligerando considerablemente el peso de la nave, y pudiendo alcanzar así mayores velocidades

En cuanto a la historia de las velas solares como ya he dicho intervienen Kepler y Maxwell porque, aunque no lo parezca, la idea de utilizar estas grandes estructuras de reflexión para "navegar" por el espacio no es nada nuevo. Kepler se baso en sus observaciones sobre cometas y sus posteriores deducciones sobre el origen de la cola de estos que lo inspiraron a hablar sobre naves propulsadas por velas que aprovechaban el mismo “viento solar” del que se servían los cometas , pero una vez más Maxwell con su teoría del electromagnetismo, demostró a través de ella, que la luz solar ejerce una pequeña presión a medida que los fotones rebotan en una superficie reflejante, siendo esta fuerza una mejor manera de impulsar dichas velas haciendo que el viento solar de Kepler no suponga un aporte tan importante en la propulsión de los veleros espaciales ( en la realidad el viento solar solo aporta un 1% de energía de desplazamiento). Desde estos descubrimientos hasta hoy en día numerosos científicos han trabajado duramente hasta hacer realidad la idea de navegación espacial a través de velas solares.

Una vela solar se compone, dependiendo del diseño de la vela, de una o varias superficies reflectoras y de

 materiales poco gruesos.La misión cosmos 1 en 2005 y la NanoSail-D en 2008  fueron los primeros intentos

de experiencia espacial con velas solares pero ambos  fracasaron antes del despliegue de las velas.

 Centrados ya en que es una vela solar y en esa breve historia  podemos entrar en materia.

El fundamento físico en el que se basa el movimiento de las naves propulsadas por velas solares lo debemos

 explicar a través de la mecánica cuántica y relativista; y así  combinando  la famosa ecuación de Einstein

E=m*c^2 con la definición de cantidad de movimiento (p) y la constante de planck (h) llegamos a las siguientes

igualdades:

Donde λ es la longitud de onda  y c la velocidad de la luz . Teniendo en cuenta estas dos igualdades nos damos cuenta que el momento lineal de un fotón debe ser muy pequeño y  que a mayor longitud de onda menor será dicha cantidad. Cuando un fotón es reflejado por una superficie, éste vuelve a la misma velocidad, pero con una longitud de onda ligeramente mayor, lo que equivale a ceder parte de su energía y momento lineal a la superficie impactada, por tanto esa variación de momento lineal  será lo  que impulse la nave.Como la luz  se propaga mediante ondas electromagnéticas podemos aplicar el concepto del modulo de momento transportado por una onda electromagnética al caso que estamos estudiando. El modulo del momento de una onda electromagnética es 1/c multiplicado por  la energía que transporta la onda.

Como la intensidad de una onda es la energía por unidad de tiempo y unidad de área , la intensidad dividida por c es el momento transportado por la onda por unidad de tiempo y por unidad de área. El momento transportado por unidad de tiempo es una fuerza. La intensidad de onda dividida por c es una fuerza por unidad de área que resulta ser una presión. Esta presión se denomina presión de radiación P_{r :}

Como sucede en las velas solares, al considerar la luz como  onda electromagnética que incide  normalmente sobre una superficie que absorbe una energía U de la onda y por tanto un momento p dado por la anterior ecuación, y la presión ejercida sobre la misma es igual a la presión de radiación, entonces si la onda  se refleja, el momento transferido sobre la superficie es  2p, porque la onda ahora transporta  momento en sentido opuesto, entonces la presión ejercida sobre la superficie es el doble de la presión de radiación.

Asumiendo que la potencia del sol es   de 3,8*10^26  W y que la distancia del sol a la tierra es de unos 1,5*10^11 m obtenemos un presión por radiación en la superficie de la tierra de 0,5*10^-6 Pa.

La aceleración de la nave viene dada por la siguiente ecuación:

Siendo A el área de superficie de la vela, m la masa total de la nave y  c la velocidad de la luz. Utilizando los datos de masa y área de la misión cosmos 1, de peso 100 Kg y área de velas 1800 m^2 obtenemos una  ridícula aceleración de 4,7*10^-15 m/s^2. Para obtener una aceleración igual a la gravitatoria terrestre  la vela tendría que tener una  superficie de 9236*10^8 Km^2 .El tiempo que tardaría la nave de la misión cosmos en alcanzar la velocidad de escape sería  de 70000 millones de  años por lo que sería imposible que un velero solar saliera del planeta por si solo.

La ventaja de las velas solares es que son impulsadas (aceleradas) constantemente haciendo que la nave no vaya a una velocidad uniforme, constituyendo así un sistema no inercial. Al estar en el espacio si en algún momento esa fuerza impulsora  cesara la nave se seguiría moviendo a la misma velocidad que tenía en el momento que dejo de ser acelerada.

En la ciencia ficción también hemos visto naves impulsadas por velas solares. En El planeta de los simios de Pierre Boulle, los astronautas viajaban en una nave impulsada por una vela solar. Y en Star Wars el Conde Dooku, posee un velero solar que aparece en el episodio II.