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Océanos de Ciencia

Los mares y océanos han motivado desde siempre a los científicos. La necesidad de orientarse en un entorno cambiante nos ha hecho mirar al cielo y conocer los astros y sus movimientos, hemos creado instrumentos de navegación en los que se dan la mano arte, ciencia y tecnología, y han tenido lugar grandes expediciones científicas que han cambiado la visión del mundo y de nosotros mismos. De todo ello nos habla Manuel Díez Minguito.

Un diseño ganador (II): Velas de ciencia ficción.

Velas solares - Océanos de Ciencia - cienciaes.com

El 9 de julio de 2010 asistimos a un logro tecnológico sorprendente, más propio de un relato de ciencia ficción. La sonda espacial IKAROS, de la Agencia Espacial Japonesa (JAXA), tras varias semanas de viaje con destino a Venus, fue el primer vehículo espacial en la historia que consiguió desplegar una gran vela solar para propulsarse en el vacío espacial. Sí, han leído bien: vela solar, no panel solar. Es la propia luz del sol la que directamente empuja la vela solar, de forma análoga a como la vela de un barco convencional es impulsada por el viento.

Navegar más allá del sistema solar, alcanzar otras estrellas, lejanos planetas, cometas…, mediante naves a vela inspiradas en aquellas que antaño surcaban mares y océanos aquí en la Tierra, ha estado en el imaginario popular desde hacía años. El astrónomo Johannes Kepler ya intuyó el uso de energía solar para propulsar naves en el espacio y son numerosas las obras de ciencia ficción en las que se sugiere el uso de vehículos espaciales con velas impulsadas por la radiación solar, como por ejemplo, la novela “De la Tierra a la Luna“ de mismísimo Julio Verne o, ya más recientemente, “El Viento del Sol“ de Arthur C. Clarke, uno de los grandes autores de la ciencia ficción. Estos autores no hicieron sino aventurar un posible futuro combinando con maestría su propia imaginación con el conocimiento científico de su tiempo.

Ahora la ficción se ha hecho realidad en forma de vela solar. Y, aunque el nombre pueda resultar engañoso, nada tienen que ver con los típicos paneles solares, como los que ya estamos acostumbrados a ver en nuestras ciudades e incluso en otras sondas y naves espaciales, ni tampoco son impulsadas por el viento solar.
Vayamos por partes y, para evitar confusiones, dejemos claro primero lo que no son las velas solares.

En primer, una vela solar no es un panel solar. Estos últimos convierten la energía que llega del sol en electricidad que luego es empleada en calentar agua, iluminar una habitación, mover un motor, etc. En segundo lugar, una vela solar tampoco es empujada por el así llamado viento solar, sino por la propia luz del sol. Luz o radiación y viento solar son cosas distintas. Esto puede resultar algo confuso, pues uno aquí en la Tierra tiende a asociar inmediatamente vela con viento.

El viento solar es un gas de partículas cargadas procedentes del sol que baña el espacio. Es lo que se llama plasma. Éste está compuesto, fundamentalmente, por electrones y protones, expulsados al vacío desde la corona solar. Las grandes temperaturas que allí se producen son capaces de romper los átomos de Helio e Hidrógeno, dejando libres las partículas elementales que los componen: entre ellos los electrones, cargados negativamente, y los protones, con carga positiva. Muchas de estas partículas, las más rápidas, escapan de la atracción gravitatoria del sol y dan lugar al viento solar. Actualmente se está investigando en velas que sean impulsadas por el viento solar, pero por ahora sólo son prototipos que no están aún suficientemente desarrollados.

Las velas solares (ahora sí) son grandes superficies planas, muy ligeras y hechas de materiales plásticos de apariencia similar al papel de aluminio. Concretamente, la única vela de la sonda japonesa IKAROS tiene casi 200m² (comparen ustedes con la casa donde viven) y tan solo 7.5 micras de espesor, menos gruesa que un hilo de seda. Lo interesante de estos dispositivos es que permiten impulsar la sonda reflejando la luz del sol, sin electricidad ni combustible de por medio. Es decir, es directamente la luz del sol la que empuja o ejerce presión sobre la vela.

¿Cómo es eso posible? Ninguno de nosotros ha visto que los objetos se muevan cuando sale el sol por el horizonte o al encender una lámpara. Aquí viene la explicación.

Imaginen que estamos sentamos en un banco disfrutando de una ligera brisa en un día soleado. Inmediatamente notamos como los rayos de sol nos calientan, pero también ejercen presión, nos empujan, aunque no lo percibamos. En realidad, es una presión muy pequeña, decenas de miles de millones de veces menor que la presión que una suave brisa pueda ejercer sobre nosotros. La presión que produce la brisa esta producida por el golpeteo continuo de las moléculas de aire contra nuestra piel: cuantas más colisiones por segundo y cuanto mayor sea la masa de las moléculas, mayor presión.
Con la luz ocurre algo similar, aunque en este caso las partículas que ejercen la presión se denominan fotones. Los fotones son partículas asociadas no solo a la luz solar, sino, en general, a cualquier tipo de radiación, sea en forma de ondas de radio, microondas o luminosa. La luz, o más bien la energía solar, no nos llega de forma continua sino discontinua, agrupada en pequeños paquetes de energía que se desplazan a la velocidad de la luz. Es precisamente a cada uno de esos paquetes individuales de energía o partículas a lo que se le denomina fotón.
Estas partículas chocan contra nosotros y, aparte de cedernos energía en forma de calor, ejercen presión sobre nuestra piel, generando una fuerza o empuje desde el foco luminoso, en este caso el sol. Es una presión dirigida. A esa presión producida por los rayos solares se la denomina presión de radiación, ya descubierta por el físico y matemático James C. Maxwell a finales del s.XIX.

Aquí en la Tierra, la fuerza ejercida por los fotones es tan pequeña que es insuficiente para vencer el rozamiento y mover cualquier objeto. Por ejemplo, un barco equipado con una vela solar no podría superar la fricción con el aire y con el agua y jamás se movería un solo cm. En cambio, en el vacío especial, donde no hay rozamiento, el sutil, pero continuado, empuje de los fotones podría ser (es) utilizado por una sonda para ser acelerada indefinidamente. Eso significa que justo después del despliegue de la vela solar, y sin considerar aquí efectos gravitatorios para no complicar el asunto, la sonda se propulsaría a razón de unos pocos cm/día, luego, al cabo de un tiempo, incrementaría su velocidad a razón de unos cm/hora, luego a cm/s, a m/s, y así hasta los miles de km/s que estiman los científicos como velocidad máxima.

Para que la aceleración sea grande y se alcancen esas grandes velocidades en poco tiempo los ingenieros aeroespaciales diseñan sondas y velas de muy poco peso, y que estas últimas tengan la mayor superficie posible, a fin de recibir el impacto de un mayor número de fotones incrementado así la fuerza impulsora. Si a esto le añadimos que la superficie sea lo más reflejante posible, como un espejo, la transferencia de energía entre fotones y vela será máxima, incrementando aún más el empuje, por eso las velas tienen un aspecto parecido al papel de aluminio.

De este modo, una sonda impulsada por velas solares podría recorrer grandes distancias, muy superiores a las conseguidas con los actuales cohetes. Además, una vela solar impulsada por fotones nunca dejará de ser empujada, siempre que reciba radiación. Meses o incluso años después de que el cohete se haya quedado sin combustible, una vela solar seguirá impulsando la nave.

En esta ocasión les invitamos a escuchar cómo funcionan las velas solares, una tecnología que permitirá a vehículos espaciales propulsarse sin necesidad de combustible abriendo las puertas del espacio profundo a la exploración humana.



REFERENCIAS:

- Programa de la serie Océanos de Ciencia sobre las velas de los barcos: Un diseño ganador: Velas (I).

- Proyecto IKAROS de la Agencia Espacial Japonesa

- “Relatos de la era espacial. El Viento del Sol”. Arthur C. Clarke. Alianza (1987).

- “De la Tierra a la Luna”. Julio Verne. Anaya (2002).

- Otros programas relacionados en Cienciaes:
Max Planck y el enigma del cuerpo negro,
Historia y naturaleza de la luz,
James Clerck Maxwell. El genio tartamudo .


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