Vela solar

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Una vela solar (también llamada vela de luz o vela de fotones ) es un dispositivo que utiliza la presión de la luz solar o un láser sobre una superficie de espejo para propulsar una nave espacial .

Es necesario distinguir entre los conceptos de " luz solar " ( una corriente de fotones , es la que utiliza una vela solar) y " viento solar " (una corriente de partículas elementales e iones, que se utiliza para volar en un vela eléctrica  - otro tipo de vela espacial ).

La idea de volar en el espacio utilizando una vela solar se originó en Rusia en la década de 1920 y pertenece a uno de los pioneros de la ciencia espacial, Friedrich Zander , quien partió del hecho de que las partículas de la luz solar, los fotones, tienen un impulso y lo transfieren a cualquier superficie iluminada, creando presión . La magnitud de la presión de la luz solar fue medida por primera vez por el físico ruso Pyotr Lebedev en 1900 .

La presión de la luz solar es relativamente pequeña (en la órbita de la Tierra, alrededor de 9·10 −6 N/m 2 ) y disminuye en proporción al cuadrado de la distancia al Sol [1] . Por ejemplo, la fuerza total que actúa sobre una vela solar de 800 por 800 metros es de unos 5 Newton a la distancia de la Tierra al Sol. [2] Una vela solar puede funcionar durante un período de tiempo casi ilimitado y no requiere el consumo de un fluido de trabajo en absoluto , por lo que en algunos casos puede ser preferible su uso. Sin embargo, hasta la fecha, ninguna de las naves espaciales ha utilizado una vela solar como motor principal debido al empuje extremadamente bajo.

Física del fenómeno

Supongamos que una onda de luz plana con energía incide sobre un espejo ideal plano estacionario de masa normal a su superficie . Designemos la energía de la onda de luz reflejada como , la velocidad adquirida por el espejo como resultado de la reflexión de la onda como . Luego la ley de conservación de la energía: y la ley de conservación de la cantidad de movimiento: . A partir de estas ecuaciones, se puede obtener:

(una) (2)

De ello se deduce que la eficiencia de una vela fotónica (la fracción de la energía de las olas incidentes transferida a la vela) es mayor cuanto mayor es la relación entre la energía de las olas incidentes y el resto de la energía de la vela. Cuando la energía de la onda incidente es mucho mayor que el resto de la energía del espejo , casi toda la energía de la onda se transfiere al espejo.

En el otro caso extremo, la energía de la onda incidente es mucho menor que el resto de energía del espejo . En este caso, de la fórmula (1) obtenemos: . De la fórmula (2) obtenemos: . De esta fórmula se puede ver que en este caso la onda de luz transfiere solo una parte insignificante de su energía a la vela [3] .

Vela solar en diseños de naves estelares

Se planea utilizar velas solares y otros tipos de velas espaciales en algunos proyectos de naves estelares [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] . La ventaja de la navegación solar es la ausencia de combustible a bordo, lo que permite una carga útil mayor en comparación con una nave espacial a reacción. Sin embargo, el concepto de una vela solar requiere una vela de peso ligero y al mismo tiempo de gran superficie.

La desventaja de un velero solar es la dependencia de la aceleración de la distancia al Sol: cuanto más lejos del Sol , menor es la presión de la luz solar y, por tanto, menor la aceleración de la vela, y fuera del sistema solar , la presión de la luz del sol y, en consecuencia, la eficiencia de la vela solar se acercará a cero. La presión de la luz del Sol es bastante pequeña, por lo que para aumentar la aceleración, existen proyectos para acelerar el velero solar con instalaciones láser desde estaciones generadoras fuera de la Tierra [4] [11] . Estos proyectos se enfrentan al problema de la orientación precisa de los láseres a distancias ultralargas y la creación de generadores láser de la potencia adecuada.

Geoffrey Landispropuso usar una batería solar para transmitir energía a través de un láser desde una estación base a una sonda interestelar con un motor de iones [12] [13] , lo que da cierta ventaja sobre una vela puramente espacial (actualmente este proyecto no es factible debido a problemas técnicos). limitaciones) [14 ] .

Configuraciones de velas

Regata espacial

En 1989, en honor al 500 aniversario del descubrimiento de América, la Comisión del Congreso de los Estados Unidos convocó un concurso para poner en órbita varios veleros solares desarrollados en diferentes países y realizar una regata a Marte. Se planeó cubrir todo el viaje en 500 días. Estados Unidos, Canadá, Gran Bretaña, Italia, China, Japón y la Unión Soviética presentaron sus solicitudes para participar en el concurso. El lanzamiento iba a tener lugar en 1992.

Los solicitantes de participación comenzaron a abandonar casi de inmediato, debido a una serie de problemas técnicos y económicos. Sin embargo, el colapso de la Unión Soviética no condujo al cese del trabajo en el proyecto doméstico, que, según los desarrolladores, tenía todas las posibilidades de ganar. Pero la regata se canceló debido a dificultades financieras de la comisión de aniversario (y posiblemente debido a una combinación de razones). El gran espectáculo no tuvo lugar. Sin embargo, la vela solar de fabricación rusa fue creada (la única de todas) conjuntamente por NPO Energia y DKBA , y recibió el primer premio del concurso [15] .

Nave espacial usando una vela solar

Los científicos soviéticos inventaron un esquema para la estabilización por radiación-gravedad de una nave espacial, basado en el uso de una vela solar [16] [17] . El primer despliegue de una vela solar en el espacio se realizó en la nave espacial rusa Progress M-15 el 24 de febrero de 1993 como parte del proyecto Znamya-2 [18] .

La primera nave espacial en utilizar una vela espacial como motor fue la japonesa IKAROS , que se considera el primer velero espacial de la historia. . El 21 de mayo de 2010, la Agencia Espacial Japonesa (JAXA) lanzó el vehículo de lanzamiento H-IIA , que transportaba la nave espacial de vela solar IKAROS y un aparato meteorológico para estudiar la atmósfera de Venus [ 19] . IKAROS está equipado con una vela hecha de la membrana más delgada que mide 14 por 14 metros de largo y ancho. Con su ayuda, se supone que debe estudiar las características del movimiento de los vehículos con la ayuda de la luz solar. Se gastaron 16 millones de dólares en la creación del dispositivo. El despliegue de la vela solar comenzó el 3 de junio de 2010 y se completó con éxito el 10 de junio. Según los cuadros transmitidos desde el tablero de IKAROS, se puede concluir que los 196 metros cuadrados de tela ultrafina se trataron con éxito y los paneles solares de película delgada comenzaron a generar energía.

Ahora en Rusia hay un consorcio "Space Regatta", que realizó varios experimentos con reflectores solares para iluminar áreas de producción de petróleo y gas. También hay proyectos para derretir espejos en órbita de asteroides.

El 20 de mayo de 2015, LightSail-1 , el primer satélite privado alimentado por energía solar , fue enviado en un vuelo de prueba desde el sitio de lanzamiento de Cabo Cañaveral [20] [21] .

En la cultura

Véase también

Notas

  1. ↑ A. Bolonkin. AB- Vela Solar de Alta Velocidad  . - 2007. - arXiv : física / 0701073 .
  2. ↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing , Gordon and Breach Science Publishers 
  3. ↑ Butikov E. I., Bykov A. A., Kondratiev A. S. Física en ejemplos y problemas // M .: Nauka. - 1989. - S. 443. - ISBN 5-02-014057-0
  4. ↑ 1 2 Adelante: Viaje a las estrellas en un rayo de energía . Consultado el 27 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2017.
  5. ↑ Robert L. Adelante a las estrellas en el punto de la viga . Consultado el 14 de noviembre de 2017. Archivado desde el original el 6 de noviembre de 2017.
  6. ↑ C. Danforth Navegando en el viento de protones . Consultado el 13 de noviembre de 2017. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2017.
  7. ↑ Jones, E. Una nave interestelar tripulada que utiliza propulsión por microondas: una nave Dyson  //  Diario de la Sociedad Interplanetaria Británica. - 1985. - vol. 38. - Pág. 270-273. Archivado desde el original el 15 de noviembre de 2017.
  8. ↑ Gregory Matloff, Eugene Malov. Starships on Solar Sails: Clipper Ships of the Galaxy . Fecha de acceso: 13 de noviembre de 2017. Archivado desde el original el 7 de enero de 2018.
  9. ↑ Den Spies, Robert Zubrin. Velas solares ultrafinas para viajes interestelares . Consultado el 13 de noviembre de 2017. Archivado desde el original el 15 de noviembre de 2017.
  10. ↑ Migración interestelar y la experiencia humana en rústica - 1 de enero de 1985 por Ben R Finney (Autor), Eric M Jones (Autor) . Consultado el 14 de noviembre de 2017. Archivado desde el original el 4 de abril de 2016.
  11. ↑ Landis: Pequeña sonda interestelar impulsada por un láser . go2starss.narod.ru. Consultado el 27 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 16 de octubre de 2017.
  12. ↑ Sonda interestelar impulsada por láser . erudito.google.ru. Fecha de acceso: 27 de septiembre de 2017.
  13. ↑ Geoffrey A. Landis. Archivado desde el original el 22 de julio de 2012. en Geoffrey A. Landis: Ciencia. documentos disponibles en la web Archivado el 15 de septiembre de 2013 en Wayback Machine .
  14. ↑ Landis. Sonda interestelar de iones impulsada por un rayo láser . go2starss.narod.ru. Consultado el 27 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2017.
  15. ↑ Nina BAVINA . entonces no habia espacio ... Consultado el 25 de mayo de 2011. Archivado desde el original el 13 de octubre de 2011.
  16. ↑ Gurko O. V., Slabky L. I. El uso de las influencias de fuerza de los campos gravitatorios y de luz del Sol para la orientación de naves espaciales - En el libro: "Satélites artificiales de la tierra", vol. 16 - M. : De la Academia de Ciencias de la URSS, 1963, 34-45. . Consultado el 3 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 27 de mayo de 2022.
  17. ↑ Polyakhova E. N. “Vuelo espacial con una vela solar: problemas y perspectivas”, M., Izd. "Ciencia", jefe. edición física y matemáticas Literatura, 1986 304 hojas.
  18. ↑ Gudilin V. E., Slabky L. I. Space cargueros Progress, Progress-M y sus modificaciones // Rocket and space systems (Historia. Desarrollo. Perspectivas) . - M. , 1996. - 326 p. Archivado el 10 de diciembre de 2012 en Wayback Machine .
  19. ↑ Sitio web del proyecto KAROS Archivado el 22 de julio de 2010 en Wayback Machine . 
  20. ↑ ¡Despega! El avión espacial X-37B y la vela solar LightSail entran en órbita  (inglés) , NBC News . Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2017. Consultado el 27 de septiembre de 2017.
  21. ↑ Vladimir Korolev. En todas las velas . nplus1.ru (22 de mayo de 2015). Consultado el 30 de mayo de 2015. Archivado desde el original el 19 de junio de 2015.
  22. ↑ De la Tierra al Cielo // Intercambio de Pensamientos / Mikhail Grebenyuk. - Tashkent: Yosh guard, 1989. - S. 238-256. — 464 pág. - 400.000 copias.  - ISBN 5-633-00221-0 .

Literatura

Enlaces