Lightsail es una tecnología de propulsión de vanguardia que utiliza el flujo constante de fotones del sol para propulsar una nave espacial a través de la vastedad del espacio. Este revolucionario método de propulsión, conocido como propulsión fotónica, es altamente eficiente e innovador.
El universo es una inmensa expansión con innumerables oportunidades de exploración. Sin embargo, las distancias entre los cuerpos celestes son astronómicamente vastas. Recientemente, la Voyager 1 logró un logro extraordinario: escapó de nuestro sistema solar y ahora ostenta el récord del objeto hecho por el hombre que ha viajado más lejos de la Tierra… ¡Comenzó su viaje en 1977!
El desafío es evidente: los sistemas tradicionales de propulsión química y los combustibles de cohetes son lamentablemente inadecuados y lentos cuando se trata de explorar sistemas celestes distantes. Las velocidades alcanzadas por estas fuentes de combustible convencionales son minúsculas en comparación con las vastas distancias que deben recorrerse.
Imagina una sonda de reconocimiento que divisa un nuevo planeta potencialmente habitable mientras atraviesa los límites de nuestro sistema solar. Naturalmente, los astrónomos curiosos querrían estudiarlo más a fondo enviando una sonda dedicada. Sin embargo, a esta nave de movimiento lento le llevaría aproximadamente 40 años, más que la esperanza de vida promedio de un ser humano, llegar a su destino y obtener resultados significativos. Un astrónomo de 50 años con gran interés podría perderse el descubrimiento más importante en la historia de la humanidad.
Necesitamos una nueva solución. Mientras que una nave espacial convencional actualmente tarda alrededor de 300 días en llegar a Marte, una tecnología innovadora afirma ser capaz de completar el viaje en solo 3 días. En lugar de depender de la combustión de combustible, esta tecnología aprovecha el flujo continuo de fotones emitidos por el sol para propulsar la nave espacial a través del vacío del espacio. Este método de propulsión altamente eficiente e innovador se conoce como propulsión fotónica. Pero antes de adentrarnos en los detalles, hay una pregunta fundamental que casi todos hacen acerca de esta tecnología…
¿Cómo puede la luz ejercer fuerza sobre una sonda a pesar de no tener masa?
Nada puede superar la velocidad de la luz. Este límite de velocidad está impuesto por la masa de cada objeto. Los fotones, al ser sin masa, son las entidades más rápidas en el universo. Sin embargo, la luz posee momento. Cuando la luz solar llega a nuestra piel, transfiere calor y momento a los átomos, aunque los cambios son imperceptiblemente pequeños.
Los efectos son insignificantes porque las partículas se dispersan, golpeando nuestra piel en un patrón aleatorio y divergente. En contraste, un láser emite un rayo de luz concentrado y preciso. Esta naturaleza concentrada se logra empaquetando firmemente miles de millones de billones de fotones juntos, haciendo que su energía y momento converjan en un solo punto. La exposición a una radiación tan concentrada ejerce presión sobre los objetos, conocida como presión de radiación.
Por lo tanto, no solo la intensa luz emitida por el sol posee energía y momento, sino que también puede transferir y desplazar otros objetos, como una nave espacial completa, a través de esta presión.
Vela Solar
Una vela solar está compuesta por materiales ligeros y delgados que son altamente reflectantes, creando una estructura similar a un espejo. Normalmente, se utilizan aluminio u otros plásticos adecuados para crear estas láminas. En el entorno sin gravedad del espacio, la fuerza se genera por la presión de radiación, la cual puede aumentarse expandiendo el área superficial de la vela. Por eso, las velas solares suelen tener miles de metros cuadrados de tamaño.
¿Cómo funcionan las velas solares?
Su funcionamiento es exactamente como sugiere su nombre. Al igual que un barco navega en el océano atrapando vientos racheados, las velas solares funcionan «atrapando» la luz. Los sistemas de propulsión fotónica requieren que una vela solar intercepte y utilice la luz.
(Crédito de la foto: Pixabay & NASA)
Cuando los fotones del sol impactan en la vela, ejercen una fuerza sobre las partículas de la misma. Siguiendo la tercera ley de Newton del movimiento, las partículas de la vela ejercen una fuerza igual y opuesta. Esto se puede comparar con una bola de billar chocando con una bola 8 en un juego de pool, donde ambas bolas se mueven en direcciones diferentes después de la colisión. Por eso, las velas solares están hechas de materiales altamente reflectantes, para asegurarse de que ningún fotón sea absorbido por la vela.
Los astrónomos también están considerando el uso de fuentes láser de alta energía para evitar que las sondas se desaceleren a medida que se alejan del sol o encuentran obstáculos como asteroides. La fuente láser puede colocarse por encima de la Tierra o incluso en la órbita de un planeta distante, dirigiendo su haz hacia la superficie reflectante de la vela.
Sin embargo, una limitación es la energía necesaria para alimentar la fuente láser en sí. Los cálculos indican que la energía requerida podría ser equivalente al consumo de energía de todo el mundo hoy en día. ¡Además, la vela tendría que ser del tamaño de Texas!
(Crédito de la foto: Photon999 / Wikimedia Commons)
¿Cómo es posible llegar a Marte en solo 3 días?
Si se le da suficiente tiempo, una nave espacial con una vela solar puede alcanzar velocidades mucho más altas en comparación con los métodos convencionales de propulsión de cohetes. Se estima que estas velocidades pueden llegar hasta el 30% de la velocidad de la luz. Para poner esto en perspectiva, ¡Voyager 1 solo viajó al 0.0007% de esa velocidad! Esto es un salto increíble.
A tales velocidades tan altas, uno podría preguntarse cómo se puede controlar la nave espacial. La clave para maniobrar un velero es generar una fuerza desigual, y los científicos han ideado una solución inteligente para superar este desafío. Al aplicar un voltaje a regiones específicas de la vela, su reflectividad puede reducirse, haciendo que esas áreas absorban la luz en lugar de reflejarla.
Esto crea el efecto de inclinar la vela para cambiar la dirección de la nave espacial. Las velas solares también se pueden inclinar físicamente como los mástiles de un barco para dirigir una sonda, pero esto requeriría componentes mecánicos adicionales.
Velas Solares como «Cometas Espaciales»
El concepto de la propulsión fotónica no es nuevo. Los científicos rusos de cohetes ya habían ideado la idea en la década de 1920. Sin embargo, la integración de velas ultrafinas y livianas con el equipo pesado que se suponía que las naves espaciales debían llevar planteaba un desafío. La fuerza de propulsión de una sonda está directamente relacionada con su masa: los objetos más pesados son más difíciles de mover, mientras que los objetos más ligeros pueden viajar más rápido.
Pero con los avances en tecnologías de semiconductores y la miniaturización de componentes electrónicos, esta idea finalmente se ha vuelto factible. Gracias a la revolución electrónica, una sonda impulsada únicamente por fotones ahora puede llevar suficiente equipo para capturar imágenes, estudiar composiciones químicas y recopilar información sobre cuerpos celestes.
El tamaño más pequeño de los componentes también permite velas solares más razonables y menos masivas. Con velas completamente extendidas y una caja central pequeña, estas sondas podrían parecer cometas espaciales brillantes desde la distancia.
(Crédito de la foto: Steevven1 / Wikimedia Commons)
En mayo de 2010, la agencia espacial japonesa demostró la viabilidad de las velas solares y la propulsión fotónica para misiones interplanetarias. Un vehículo de prueba llamado Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun (IKAROS) viajó con la sonda Venus Akatsuki. Cuando la sonda estaba a 4.3 millones de millas de la Tierra, la nave fue lanzada al espacio. Seis meses después, voló con éxito junto a Venus, haciendo historia.
Ahora, los científicos tienen planes de utilizar este método de propulsión para misiones aún más ambiciosas, como viajes a Alpha Centauri, el sistema estelar más cercano a nuestro sistema solar, sin necesidad de combustible. Además, a diferencia del progreso lento y tedioso de los viajes espaciales tradicionales, estas naves espaciales se moverán a casi un tercio de la velocidad de la luz.
Dado que las velas solares no requieren combustible, ¡pueden seguir generando fuerza propulsora siempre que el sol esté brillando!