Introducción a las Velas Solares
Elías Selvanovich
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Si se desarrolla convenientemente
esta tecnología, ciertamente en un futuro próximo
la Humanidad tal vez pueda emprender la exploración
de todo el Sistema Solar... |
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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. |
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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. |
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Aprendiendo
Navegación |
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Figura 1: Esquema simplificado
de las fuerzas que actúan en un velero. |
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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:
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| 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. |
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| Sobre
Cosmos 1 |
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Esta
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. |
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Tipos
de Misiones |
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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.
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
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| Capital Federal (Buenos Aires), Argentina, 14 de
Setiembre de 2003. |
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