Una breve historia sobre las velas solares

¿Alguna vez ha mirado el cielo nocturno, ha sentido la suave brisa y ha deseado zarpar hacia las estrellas? Haga la fila. Muchos grandes pensadores de la historia han tenido la misma idea. Esto, que fue una fantasía durante mucho tiempo, podría convertirse en realidad pronto con una misión que emplea una vela solar en la fase de diseño y otra que ya se encuentra en la plataforma de lanzamiento, el cual está programado para este verano (boreal).

vela solar f. -Material delicado que, cuando es desplegado en el vacío del espacio, siente la presión de la luz solar y, propulsado por dicha presión, puede lograr que una nave se traslade entre las estrellas.

Hace mucho tiempo, alguien se paró solo en una arenosa costa y miró con nostalgia hacia la aparentemente interminable extensión del océano, sobre un horizonte suavemente bañado con bruma oceánica, y reflexionó "me pregunto, ¿qué hay allí?". Entonces, crearon un bote, equipado con una gran tela para atrapar el viento, y zarparon.

No hace mucho tiempo, alguien se paró solo en una arenosa costa y miró con nostalgia hacia arriba, hacia la aparentemente interminable extensión del espacio delicadamente salpicado con estrellas centelleantes, y reflexionó "me pregunto, ¿qué hay allí?". Entonces, crearon una nave espacial, equipada con una gran tela para atrapar el Sol, y zarparon.

El primer párrafo, ya ocurrió. El segundo, un día de estos.…

La Vía Lactea atrae a un observador del cielo en el sur de Francia. Crédito de la fotografía: Laurent Laveder, 28 de julio de 2008.

Dos misiones muy especiales están planeadas para el futuro próximo; ambas destinadas a desplegar una vela solar para aprovechar el poder de la luz del Sol. La NanoSail-D, de la NASA, es una pequeña vela solar cuyo lanzamiento está programado para agosto de 2008. Cosmos 2, de la Sociedad Planetaria (The Planetary Society, en idioma inglés), aún no tiene una fecha específica de lanzamiento. Su meta es realizar "un vuelo controlado bajo la presión de la luz solar".

Para apreciar por completo estas dos misiones, viajemos hacia atrás en el tiempo y conozcamos una breve historia sobre las velas solares: Hace casi 400 años, el astrónomo alemán Johannes Kepler observó colas de cometas que volaban debido a lo que él pensó era la "brisa" solar. Esta observación lo inspiró a sugerir que "se deberían crear barcos y velas adecuadas para el aire celestial" y, de ese modo, sería posible deslizarse a través del espacio.

Poco es lo que Kepler sabía; la mejor manera de impulsar una vela solar no es por medio del viento solar, sino utilizando la fuerza de la luz solar. En 1873, James Clerk Maxwell demostró por primera vez que la luz solar ejerce una pequeña presión a medida que los fotones rebotan de una superficie reflejante. Este tipo de presión es la base para todos los diseños de velas solares modernas.

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En 1960, el satélite Echo-1 sintió clara y fuertemente los efectos de la presión solar. "La presión de los fotones jugó fútbol orbital con una pelota (el mismo Echo-1) hecha de una delgada película, mientras el satélite se encontraba en órbita.… La luz solar arrojó los fragmentos por todas partes".

Pero la NASA tuvo una experiencia más positiva con velas solares en 1974 cuando la nave espacial Mariner 10 se quedó corta de combustible para realizar el control de la orientación. Debido a que Mariner 10 estaba en una misión a Mercurio, había abundante luz solar alrededor y esto hizo que los controladores de misión tuvieran una idea: apuntaron los paneles solares de la nave Mariner hacia el Sol y utilizaron la presión de la radiación solar para el control de la orientación. Funcionó. Aunque Mariner 10 no fue una misión impulsada por una vela solar, y a pesar de que la presión de la radiación que empleó fue increíblemente pequeña, este ingenioso uso de los paneles solares de la nave Mariner efectivamente demostró el principio de la navegación a vela solar.

Mariner 10, alrededor de 1974, no fue diseñada para la navegación a vela solar, pero los paneles solares de la nave espacial funcionaron sorpresivamente bien como velas improvisadas para el control de la orientación.

También en los años '70, el Dr. Louis Friedman, quien trabajaba en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory o JPL, en idioma inglés), de la NASA, dirigió un proyecto para probar el primer vuelo de una vela solar. El cometa Halley estaba por hacer su máximo acercamiento a la Tierra en 1986 y la NASA concibió la excitante idea de propulsar una sonda por medio de una vela solar para que se encontrara con el cometa. Finalmente, el proyecto fue desechado. Aun así, "el año de trabajo dedicado al diseño preliminar demostró que, de hecho, la navegación llevada a cabo utilizando una vela solar era una técnica viable para la propulsión de naves espaciales".

En 1993, la Agencia Espacial Rusa lanzó un espejo giratorio de 20 metros de diámetro llamado Znamya 2, con el cual esperaba transmitir energía solar hacia la superficie.

"Algunos afirman que Znamya 2 era una vela porque estaba hecha de un gran reflector liviano y se desplegó de la misma manera que se podría desplegar una vela solar", dice Les Johnson, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center, en idioma inglés), de la NASA, quien es coautor del libro que se publicará próximamente "Solar Sails: A Novel Approach to Interplanetary Travel" (Velas solares: un novedoso acercamiento al viaje interplanetario). "De hecho, si me pidieran demostrar la tecnología de las velas solares y tuviera la restricción de desplegar una vela solar desde una gran nave espacial, diseñaría una 'vela' como Znamya".

La lámina reflectora se desplegó y, cuando se la iluminó, produjo un punto de luz que cruzó Europa desde Francia hasta Rusia. Sin embargo, sin la posibilidad de controlar su propio vuelo, el espejo se quemó en la atmósfera, sobre Canadá. El programa de protovela de Rusia fue abandonado en 1999, después de que una misión de seguimiento de mayor envergadura (Znamya 2.5) falló y no pudo realizar un adecuado despliegue.

Las velas solares fueron utilizadas como accesorios en los satélites de comunicaciones de la India: INSAT 2A y 3A, entre 1992 y 2003. Los satélites recibían energía de un dispositivo de 4 paneles solares ubicados en un costado. Se montó una vela solar en el lado norte de cada satélite para compensar el par de torsión producido por la presión solar en el montaje.

Esta vela solar japonesa con forma de flor fue desplegada en 2004.

En 2004, los japoneses desplegaron materiales usados en velas solares desde un cohete sonda en vuelo suborbital. Aunque ésta no fue una demostración de un vuelo libre con velas solares que podría utilizarse para la exploración del espacio, el despliegue constituyó, sin embargo, un "hito", remarca Friedman, quien conoce los retos que implica el despliegue de hojas delgadas desde vehículos espaciales en rápido movimiento.

Hasta la fecha, ninguna vela solar cuyo propósito principal haya sido la propulsión ha sido exitosamente desplegada en el espacio.

La Sociedad Planetaria esperaba demostrar la tecnología con su misión Cosmos 1, en el año 2005. "Cosmos 1 fue una nave espacial impulsada por una vela solar desarrollada en su totalidad, cuyo objetivo era volar únicamente bajo la influencia de la presión solar con el fin de controlar la órbita de la nave", dice Friedman, quien es en la actualidad el director de la Sociedad Planetaria.

"Si todo hubiera salido como se planeó, la Sociedad Planetaria de Estados Unidos, trabajando conjuntamente con Rusia, podría haber sido la primera en hacer volar en el espacio una vela solar completamente funcional, aunque limitada desde el punto de vista de su rendimiento", dice Johnson. "Ésta podría haber sido la primera vela solar estabilizada por rotación en vuelo libre en el espacio".

Cosmos 1, sin embargo, se perdió cuando el vehículo de lanzamiento falló.

Mientras tanto, la NASA también ha continuado ocupándose de la navegación solar. Entre 2001 y 2005, la agencia diseñó dos diferentes velas solares de 20 metros (fabricadas por ATK Space Systems o Sistemas Espaciales ATK, en idioma español, y L'Garde Inc., respectivamente) y las probó en tierra bajo condiciones de vacío. "El diseño de estas velas es lo suficientemente robusto como para poder desplegarlas en una atmósfera o en un ambiente con gravedad y se lo puede aplicar a escalas para producir velas solares de tamaño mucho mayor (quizás, hasta 150 metros de cada lado)". "Para el año 2010 es posible que la NASA lleve a cabo un vuelo de prueba".

Mientras tanto, la NanoSail-D está preparada para ser lanzada al espacio este verano (boreal).

La NanoSail-D después de una exitosa prueba de despliegue en el laboratorio.

El equipo de Edward E. Montgomery, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, está trabajando en cooperación con el equipo Ames de Elwood Agasid con el fin de desplegar la vela solar NanoSail-D —de hecho, "un día de éstos", dice Montgomery. La vela viajará en órbita a bordo de un cohete Falcon 1 de SpaceX, el cual será lanzado desde la isla Omelek, en el Océano Pacífico.

"Nuestro principal objetivo es demostrar el exitoso despliegue de una vela solar de muy escaso peso en una órbita baja alrededor de la Tierra", dice Montgomery. La NanoSail-D sentirá dos tipos de presión: (1) el arrastre aerodinámico de la delgada parte superior de la atmósfera de la Tierra y (2) la presión de la luz solar. El equipo de Montgomery espera medir ambos tipos de presión conforme la vela viaje alrededor de nuestro planeta.

Johnson advierte, "si —y esta es una condición de vital importancia— ellos pueden medir la presión solar, habrán demostrado que la presión solar es un medio fundamental de maniobra orbital. Ellos deberán demostrar de manera concluyente los efectos de la presión solar, con una convincentemente alta proporción señal/ruido (por encima de las fuerzas que se producen como resultado de la presión atmosférica restante)".

Montgomery conoce el reto: "la órbita que tenemos disponible en esta oportunidad de lanzamiento es muy baja, quizás no podamos permanecer en órbita el tiempo suficiente como para que los efectos de la presión solar se acumulen en un grado que se pueda medir. Vamos a tener que observar muy de cerca los datos del vuelo para ver si podemos realizar esta determinación".

¿Y qué se sabe de Cosmos 2? La misión es un proyecto de fondos privados, una asociación entre la Sociedad Planetaria y los Estudios Cosmos. El trabajo ha comenzado en el Instituto de Investigaciones Espaciales de Rusia con algunos diseños de las partes de Cosmos 2. Asimismo, se están estudiando posibles configuraciones de lanzamiento en un vehículo confiable.

Siguiente parada, ¿las estrellas? Representación artística de una vela solar interestelar.

Si todo sale bien, la NanoSail-D y Cosmos 2 podrían modificar profundamente el futuro de la ciencia y de las misiones de exploración.

"El éxito sería enorme para el futuro de la exploración espacial", dice Montgomery.

"Las velas solares son el único medio conocido para lograr vuelos interestelares prácticos", cuenta Friedman. "Nuestra esperanza es que el primer vuelo con velas solares estimule el desarrollo de la tecnología de las velas solares para que este sueño pueda hacerse realidad".

Cada esfuerzo es un paso más, según las palabras del gran visionario Carl Sagan, a lo largo de "la orilla del océano cósmico", que nos lleva más cerca de la navegación entre las estrellas. Seguramente, los intentos futuros nos trasladarán por el resto del camino.

Fuente: Ciencia@NASA
Traductores al español: Ramiro Franco, Vicente Hernández Hernández