25/Abr/08

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Un nuevo concepto en propulsión espacial: la vela eléctrica

La vela eléctrica es un nuevo concepto en propulsión espacial que usa el momento del viento solar para producir un empuje.

La vela eléctrica es en cierto modo similar a la más conocida vela por presión de radiación solar, a la que a menudo se la conoce simplemente como vela solar. En realidad, la vela eléctrica no consta de tela, sino que se asemejaría más (por usar un símil fácilmente asimilable) al armazón de un paraguas.

Una vela eléctrica a escala completa constaría de un número (entre 50 y 100) de cables conductores largos (p.e. 20 kilómetros) y finos (p.e. 20 micrones). La nave espacial contaría también con un cañón disparador de electrones (con un consumo medio de unos pocos cientos de vatios) que obtendría su energía de paneles solares, y que se usaría para mantener a la nave espacial, y a los cables, en un nivel alto de potencial positivo (hasta 20 kV) y de este modo compensar la llegada de electrones desde el plasma solar. El campo eléctrico de los cables se extiende unas pocas decenas de metros hacia el plasma de viento solar circundante. Por ello, los iones del viento solar "ven" los cables más anchos de lo que realmente son, apreciándolos como obstáculos de 50 metros de anchura. (En la actualidad se estudian técnicas para desplegar los cables y lograr con ellos que la nave "vuele" eléctricamente).

La presión dinámica del viento solar varía, pero su media es de aproximadamente 2 nanopascales (nPa) a una distancia como la que separa a la Tierra del Sol. Esto es un nivel aproximadamente 5.000 veces mas débil que el de la presión de la radiación solar. No obstante, debido al gran tamaño del área efectiva y al tan ligero peso por unidad del fino cable metálico, la vela eléctrica sigue siendo eficiente. Cada uno de los cables de 20 kilómetros de longitud de la vela eléctrica pesaría solo unos pocos cientos de gramos, y se enroscarían en un carrete pequeño, pero una vez desplegado en el espacio y conectado al cañón de electrones de la nave espacial, podría producir un área efectiva de vela solar de un km2, con la que se podría extraer entre 1 y 2 milinewtons de fuerza a partir del viento solar. Por ejemplo, una nave pequeña de 200 kilos que fuese equipada con 100 de estos cables podría obtener una aceleración de aproximadamente 1 mm/s^2. Tras actuar durante un año, esta aceleración podría producir una significativa velocidad final de unos 30 kilómetros por segundo. Este sistema podría ser útil para enviar pequeñas cargas de forma rápida, llegar a Plutón - por ejemplo - podría llevar menos de 5 años (en comparación, la sonda Cassini tardó 7 años en llegar a Saturno). Alternativamente, se podría elegir este sistema para mover cargas de tamaño medio a una velocidad ordinaria de 5 a 10 km/s, a causa del ahorro en los costos de propulsión por la ligereza en peso del conjunto a la hora de lanzar la nave.

Una limitación de la vela eléctrica es que al necesitar al viento solar, no puede producir empujes considerables dentro de una magnetosfera (no convendría pasar cerca de Júpiter por ejemplo) en la que no actúa el viento solar. Aunque la dirección del empuje es básicamente contraria a la ubicación del sol, esta podría variarse, dentro de ciertos límites, mediante la inclinación de la vela. De este modo, también se podría navegar en dirección al sol.

Una visión esquemática de la fase de despliegue de la vela eléctrica giratoria. Por simplificación, solo se han dibujado 8 cables. Las superficies azul-violeta son paneles solares y las líneas amarillas son brazos propulsores (en cuyos extremos irían montados pequeños cohetes) que crearían el giro inicial de la nave.

En esta fase los cables ya han sido desplegados, y el cañón de electrones ha entrado en funcionamiento. Las líneas azules simbolizan a los hazes de electrones del cañón. Los brazos de propulsión iniciadores del giro y los tanques de combustible asociados a ellos, han sido eyectados para ahorrar masa. El viento solar (las flechas verdes) actúa sobre los cables, doblándolos ligeramente. El campo eléctrico alrededor de los cables, se representa por líneas rojas de puntos.

Fuente: Maikelnai. Aportado por Gustavo Courault