La propulsión espacial se refiere a cualquier sistema para la aceleración de un objeto en el espacio. Esto incluye los medios de propulsión de vehículos espaciales como los cohetes, satélites, sondas o sistemas de control de actitud y órbita y una vela solar.
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Una Vela Solar o Fotovoltaica
Es un dispositivo de propulsión que utiliza la presión de radiación emitida por las estrellas para moverse en el espacio a la manera de un velero. Dada la baja propulsión generada, el proceso no permite abandonar la superficie de un planeta (incluso sin atmósfera, y por lo tanto fricción). Por otro lado, se puede utilizar en un dispositivo que ya ha alcanzado la velocidad mínima de órbita , o incluso la velocidad de liberación.
Varios pequeños prototipos, diseñados para desarrollar los sistemas de control de despliegue y orientación particularmente delicados, se han colocado en órbita o están en desarrollo: IKAROS (173 m²) de la Agencia Espacial Japonesa, JAXA , lanzado en 2010 o Sunjammer solar sail de 1200 m² cuyo desarrollo fue detenido por la NASA en 2014.
La Presión de Radiación
Es el análogo de la radiación de la presión del gas y, al igual que esta, se asocia con la transferencia de momento de volumen en una dirección de propagación determinada, más precisamente al flujo de esta cantidad.
Por lo tanto, es una cantidad termodinámica, incluso si está estrechamente relacionada con la descripción dada por el electromagnetismo. Es por este enlace que hablamos por extensión de la presión ejercida sobre una partícula de pequeña dimensión (del mismo orden de magnitud que la longitud de onda), un fenómeno accesible solo para el electromagnetismo.
Este concepto se utiliza en muchos campos relacionados con la física del plasma, la astrofísica y la física estelar 1. El aspecto electromagnético está presente en la manipulación de partículas.
El gas o la presión de radiación se definen convencionalmente como una fuerza generada por el fenómeno, relacionada con la superficie sobre la que se ejerce. Esto no es físicamente y lógicamente correcto:
Las transferencias de momento en una radiación existen en ausencia de una pared. Son importantes en los ambientes muy calientes que se encuentran en la física del plasma y la astrofísica . Por lo tanto, es necesario definir la noción de presión radiativa utilizada en el contexto del problema de transferencia radiativa.
El efecto sobre una pared sólida depende de la radiación incidente, pero también de las propiedades de esta superficie: absorbencia , tipo de reflectividad (especular, difusa, etc.). Existe una relación causal pero no una relación uno a uno entre la presión y la fuerza resultante.
Por el bien del rigor, por lo tanto, daremos una definición formal basada en la naturaleza del fenómeno, a saber, el flujo de momento de volumen de un conjunto de fotones.
Por supuesto, el espectro electromagnético es subyacente y uno puede (en algunos casos uno debe) calcular la fuerza ejercida sobre una pared o una partícula a partir de las ecuaciones de Maxwell. En este caso, todavía se habla de presión de radiación, aunque no corresponde a una variable física natural. (Ver Articulo: Tormenta Solar)
Interacción onda-superficie
Una onda electromagnética incidente interactúa por su campo eléctrico con el material a través de partículas o cuasi partículas del sólido en la vecindad de la pared. Estos son electrones de una banda de valencia para un metal o un fonón para un dieléctrico. Las oscilaciones inducidas causan la emisión de una onda de la misma frecuencia, más o menos desfasada, que interfiere con la onda incidente. En el caso de la emisión, es la agitación térmica la que crea la onda.
Usando las ecuaciones de Maxwell para el cálculo de las propiedades de las superficies que se hablan anteriormente: reflectividad , absortividad y emisividad de propiedades intrínsecas del sólido 10 o de su estado de superficie 11 . Rara vez se utiliza para evaluar directamente los esfuerzos inducidos.
Interacción onda-átomo
Considere un rayo láser que ilumina un medio gaseoso. Cuando la longitud de onda corresponde a una línea de absorción, el átomo adquiere el momento q en la dirección de propagación y cambia a un estado de energía superior. Durante la desexcitación, el átomo emite un fotón de la misma energía. La transmisión es en cualquier dirección. Entonces, en promedio, la cantidad de impulso debido a la desexcitación es cero. El haz acelera el movimiento de cada átomo en la misma cantidad, nuevamente en promedio. Por lo tanto, es la velocidad media (macroscópica) del gas que se ve afectada. La distribución estadística de velocidades microscópicas no lo es.
Para obtener un efecto de reducción de las velocidades microscópicas (por lo tanto, una disminución de la temperatura del gas) es necesario utilizar una absorción selectiva angular. Este fenómeno no está directamente relacionado con la noción de presión radiativa.
Interacción onda-partícula
El caso de partículas de tamaño cercano a la longitud de onda es diferente, ya que la aproximación de las partículas no es utilizable. El fenómeno de la interacción onda-partícula es complejo: depende del tamaño relativo de la partícula con respecto a la longitud de onda, pero también de las propiedades dieléctricas del material constituyente.
Este efecto se puede utilizar para manipular partículas atrapando las partículas gracias a un gradiente de luminancia: este es el principio de la pinza óptica. (Ver Articulo: Energía Solar)
Principio General
La vela solar es propulsada por la presión producida por los fotones que la golpean. Cuanto más grande y más reflexiva es la vela, mayor es la fuerza propulsora. Podemos entonces, al inclinar la vela o al actuar sobre su ala, modificar la superficie ofrecida a la luz y así equilibrar el equilibrio de fuerzas para “conducir” la vela.
Como un barco de vela, que usa la fuerza del agua y el viento, una nave espacial que funciona con energía solar puede usar la fuerza gravitacional y el empuje fotónico para navegar a través del espacio. El interés principal radica en la falta de combustible para un vehículo equipado con dicho dispositivo. Esto permite considerar una gran autonomía de movimiento en el sistema solar.
Diseño
Según un estudio de la NASA de una vela solar, la vela tendría 500 metros de ancho. Por lo tanto, se entiende que la superficie ofrecida por la vela es una característica clave en el desempeño de este medio de propulsión ( es necesaria una vela de 110 000 m 2 para obtener un empuje de 1 kg m / s 2 ). La dificultad será entonces transportar esta vela durante las órbitas de estas máquinas, desplegarla y dirigirla hacia el espacio vacío.
Existen diferentes formas de velas:
- Las velas cuadradas sólidas y fáciles de navegar son complejas de desplegar y menos eficientes porque ofrecen menos superficie para la radiación solar.
- Las velas redondas desplegadas por el movimiento de rotación son más fáciles de transportar pero muy complejas de dirigir.
- Las velas heliogyres consisten en palas fijas alrededor de un eje central más fáciles de desplegar y dirigir, pero menos rígidas y, por lo tanto, más frágiles.
- La calidad de las velas también es importante. Debe ser fuerte y ligero y tener una máxima reflectancia de la luz. En el diseño de un medio de propulsión para el futuro satélite de estudio del cometa Halley en 1973, la vela solar estaba hecha de mylar y polímero kapton de solo unos pocos micrómetros de espesor. (Ver Articulo: Radiación Solar)
Logros
Varias velas solares se han lanzado al espacio o están en estudio o en desarrollo. Estos son prototipos diseñados para desarrollar los diversos sistemas específicos para este tipo de propulsión, en particular el despliegue de la vela y la orientación del empuje. IKAROS es una vela solar desarrollada por la agencia espacial japonesa JAXA, lanzada en 2010 y aún operativa en 2014. Su superficie de 173 m² le permite un cambio de velocidad máxima de 12 m / s después de un mes.
Con una masa total de 315 kg, incluidos 2 kg para la vela solar, circula en una órbita heliocéntrica de 10 meses. NanoSail-D2 es una pequeña vela solar de 10 m² realizada para la NASA, que se lanzó en 2011. La continuación de este proyecto es Sunjammer, una vela solar de 1200 m², que se lanzará en 2015 pero cuyo desarrollo se detuvo en 2014. Finalmente, LightSail-1 es una vela solar de 32 m² desarrollado por la Sociedad Planetaria y está programado para su lanzamiento en 2016.
Historia
- 1616: Efectos de la luz en las trayectorias de los cuerpos celestes observados por Johannes Kepler desde la orientación de las colas de los cometas opuestos al Sol.
- 1873: James Clerk Maxwell trabaja en electromagnetismo para explicar este fenómeno.
- 1889: Faure y Graffigny, novelistas franceses de ciencia ficción, imaginan una nave espacial utilizando un enorme espejo para recoger la presión de la luz solar.
- 1901: Pyotr Lebedev resalta la presión de la radiación
- 1915: Obras de Yakov Perelman en Rusia
- 1924: Las obras de Friedrich Tsander, en la URSS, plantean la idea de utilizar espejos para vuelos en el espacio interplanetario; “Para los vuelos en el espacio interplanetario, estoy trabajando en la idea de usar grandes espejos hechos de hojas extremadamente delgadas que puedan producir resultados interesantes”
- 1955: Hermann Oberth desarrolla el concepto de un espejo del espacio utilizado para capturar la radiación solar.
- 1955 – 1966: Cordwainer Smith desarrolla el principio de la vela solar en sus novelas y novelas que constituyen los Señores de la Instrumentalidad
- 1958: Invento de la expresión “Solar Sailboat” de Richard Garwin , en la edición de marzo de Jet Propulsion
- 1970: El efecto de la presión solar se utiliza para la orientación de la sonda Mariner 10 durante su vuelo a Mercury .
- 1973: La NASA y la ESA comienzan a trabajar en veleros solares para unirse al cometa Halley en 1986 (el proyecto se abandonó en 1977 porque el desarrollo de esta tecnología es demasiado lento).
- 2005: 21 de junio, lanzamiento de Cosmos 1, la primera nave espacial que funciona con energía solar: es un fracaso cuando se pone en órbita.
- 2007: Japón prevé una sonda propulsada por la vela solar IKAROS , y estudia con el ISAS , que lanzó una convocatoria de propuestas, el material científico que podría ser llevado por esta sonda, que debería ser lanzado por el cohete japonés H- IIA con el satélite PLANET-C 4 para explorar Venus (lanzamiento previsto en 2010).
- 2008: Fallo en lanzar Nanosail-D el 3 de agosto.
- 2010: Lanzamiento con éxito el 20 de mayo de de Ikaros , y 20 de noviembre, el micro-satélite fastsat incluyendo vela solar NanoSail-D2
- 2011: despliegue exitoso de Nanosail-D2 el 20 de enero.
