Una vela eléctrica (también conocida como vela eólica solar eléctrica o E-sail ) es una forma propuesta de propulsión de naves espaciales que utiliza la presión dinámica del viento solar como fuente de empuje. Crea una vela "virtual" utilizando pequeños cables para formar un campo eléctrico que desvía los protones del viento solar y extrae su impulso. La idea fue conceptualizada por primera vez por Pekka Janhunen en 2006 en el Instituto Meteorológico Finlandés . [1]
La vela eléctrica está formada por una serie de cables conductores, delgados y largos , que se mantienen en un alto potencial positivo mediante un cañón de electrones incorporado . [2] Los cables cargados positivamente desvían los protones del viento solar, extrayendo así impulso de ellos. Al mismo tiempo, atraen electrones del plasma del viento solar, lo que produce una corriente de electrones. El cañón de electrones compensa la corriente eléctrica que llega.
Una forma de desplegar las correas es rotar la nave espacial, utilizando la fuerza centrífuga para mantenerlas estiradas. Al ajustar con precisión los potenciales de cada una de las correas y, por lo tanto, la fuerza del viento solar, se puede controlar la actitud de la nave espacial.
Las misiones de navegación eléctrica pueden lanzarse en casi cualquier momento con apenas pequeñas variaciones en el tiempo de viaje. En cambio, las misiones de honda convencionales deben esperar a que los planetas alcancen una alineación particular. [3]
La vela solar eléctrica tiene poco en común con la vela solar tradicional . La vela E obtiene su impulso de los iones del viento solar , mientras que una vela fotónica es impulsada por fotones . Por lo tanto, la presión disponible es solo alrededor del 1% de la presión de los fotones; sin embargo, esto puede compensarse con la simplicidad de la ampliación. En la vela E, el papel de la vela lo desempeñan correas conductoras enderezadas (hechas de cables) que se colocan radialmente alrededor del barco anfitrión. Los cables están cargados eléctricamente y, por lo tanto, se crea un campo eléctrico alrededor de ellos. El campo eléctrico de los cables se extiende unas pocas docenas de metros dentro del plasma del viento solar circundante. La distancia de penetración depende de la densidad del plasma del viento solar y se escala como la longitud de Debye del plasma . Debido a que los electrones del viento solar afectan al campo eléctrico (de manera similar a los fotones en una vela solar tradicional), el radio eléctrico efectivo de las correas se basa en el campo eléctrico que se genera alrededor de la correa en lugar de la correa en sí. Este hecho también permite maniobrar regulando la carga eléctrica de los amarres.
Una vela de tamaño completo tendría entre 50 y 100 amarres estirados con una longitud de aproximadamente 20 km (12 millas) cada uno. [4]
[5] [6] En comparación con una vela de luz solar reflectante, otro sistema de propulsión para el espacio profundo sin propulsante, la vela de viento solar eléctrica podría seguir acelerando a mayores distancias del Sol, y seguir desarrollando empuje a medida que navega hacia los planetas exteriores. Para cuando llegue a los gigantes de hielo , puede haber acumulado una velocidad de hasta 20 km/s (45.000 mph; 72.000 km/h), que está a la par con la sonda New Horizons , pero sin asistencia gravitatoria .
Para minimizar los daños que los micrometeoroides pueden causar a las delgadas ataduras , estas se formarían a partir de múltiples hilos de 25 a 50 micrómetros de diámetro, soldados entre sí a intervalos regulares. De este modo, incluso si se cortara un cable, quedaría una ruta conductora a lo largo de toda la longitud del cable trenzado. La viabilidad de utilizar soldadura ultrasónica se demostró en la Universidad de Helsinki en enero de 2013. [7]
La Academia de Finlandia ha estado financiando el desarrollo de velas eléctricas desde 2007. [8]
Para probar la tecnología, el FMI anunció en diciembre de 2010 un nuevo proyecto de estudio de velas eléctricas respaldado por la Unión Europea. [9] La contribución financiera de la UE fue de 1,7 millones de euros. Su objetivo era construir prototipos de laboratorio de los componentes clave, involucró a cinco países europeos y finalizó en noviembre de 2013. [10] En la evaluación de la UE, el proyecto obtuvo las calificaciones más altas en su categoría. [11] [12] Se intentó probar los principios de funcionamiento de la vela eléctrica en la órbita terrestre baja en el nanosatélite estonio ESTCube-1 (2013-2015), pero hubo un fallo técnico y el intento no tuvo éxito. El motor piezoeléctrico utilizado para desplegar la vela no hizo girar el carrete. En pruebas posteriores en tierra, una razón probable del fallo se encontró en un contacto de anillo colector que probablemente estaba dañado físicamente por la vibración del lanzamiento.
Un equipo internacional de investigación que incluye a Janhunen recibió financiación a través de una convocatoria de NIAC Fase II de 2015 para un mayor desarrollo en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. [2] [13] Su proyecto de investigación se llama 'Sistema de Tránsito Rápido Electrostático de Heliopausa' (HERTS). [2] [14] El concepto del Sistema de Tránsito Rápido Electrostático de Heliopausa (HERTS) se está probando actualmente. Para HERTS, podría llevar solo de 10 a 15 años hacer el viaje de más de 100 unidades astronómicas (15 mil millones de kilómetros). En el concepto HERTS, múltiples cables de aproximadamente 20 kilómetros de largo y 1 milímetro de espesor, con carga positiva, se extenderían desde una nave espacial giratoria.
Un nuevo satélite lanzado en junio de 2017, [15] [16] el nanosatélite finlandés Aalto-1 , actualmente en órbita, probará la vela eléctrica para desorbitarla en 2019. [17] [18] [19] [20] [21]
En 2017, la Academia de Finlandia otorgó fondos para el Centro de Excelencia para el período 2018-2025 a un equipo que incluye a Janhunen y miembros de universidades, para establecer un Centro de Excelencia Finlandés en Investigación del Espacio Sostenible . [22] [23]
Casi todos los satélites que orbitan alrededor de la Tierra se encuentran dentro de la magnetosfera terrestre. Sin embargo, la vela eléctrica no se puede utilizar dentro de las magnetosferas planetarias porque el viento solar no las penetra, lo que solo permite flujos de plasma y campos magnéticos más lentos . [24] En cambio, dentro de una magnetosfera planetaria, la vela eléctrica puede funcionar como un freno, lo que permite la salida de órbita de los satélites. [25]
Al igual que con otras tecnologías de velas solares, si bien se puede lograr una variación modesta de la dirección de empuje inclinando la vela, el vector de empuje siempre apunta más o menos radialmente hacia afuera del Sol . Se ha estimado [ ¿por quién? ] que la inclinación operativa máxima sería de 60°, lo que daría como resultado un ángulo de empuje de 30° desde la dirección radial hacia afuera. Sin embargo, al igual que con las velas de un barco, se podría utilizar el viraje para cambiar la trayectoria. Las naves interestelares que se acercan a un sol podrían utilizar el flujo del viento solar para frenar. [25]
Janhunen et al. han propuesto una misión a Urano impulsada por una vela eléctrica. La misión podría llegar a su destino en aproximadamente el mismo tiempo que la sonda espacial Galileo necesitó para llegar a Júpiter , un poco más de una cuarta parte de esa distancia. Galileo tardó 6 años en llegar a Júpiter con un coste de 1.600 millones de dólares, mientras que Cassini-Huygens tardó 7 años en llegar a Saturno y costó casi lo mismo. Se espera que la vela consuma 540 vatios , produciendo unos 0,5 newtons acelerando la nave en aproximadamente 1 mm/s 2 . La nave alcanzaría una velocidad de unos 20 km/s (45.000 mph; 72.000 km/h) cuando llegue a Urano, 6 años después del lanzamiento. [3] [27] La desventaja es que la vela eléctrica no se puede utilizar como freno, por lo que la nave llega a una velocidad de 20 km/s (45.000 mph; 72.000 km/h), lo que limita las misiones a sobrevuelos o misiones de entrada atmosférica . El frenado requeriría un cohete químico convencional.
La nave propuesta tiene tres partes: el módulo E-sail con paneles solares y carretes para sostener los cables; el cuerpo principal, incluyendo propulsores químicos para ajustar la trayectoria en ruta y en destino y equipo de comunicaciones; y un módulo de investigación para entrar en la atmósfera de Urano y hacer mediciones para retransmitirlas a la Tierra a través del cuerpo principal. [3]
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