Velas solares

Tras la reciente noticia del NanoSail-D, hay gente que me ha preguntado qué son y cómo funcionan las velas solares o solar sail en inglés.

Vela solar del "NanoSail-D"

Bueno pues respecto a la primera pregunta, es un sistema de propulsión para sondas y pequeñas naves espaciales que no requiere de combustible. La idea es que la luz que nos llega del sol, gracias a la dualidad onda corpúsculo, también se puede ver como un chorro de fotones. Utilizando el mecanismo adecuado podemos aprovechar el empuje de estos fotones para que muevan nuestra vela y por tanto nuestra sonda. Este es uno de los dos tipos de velas solares que hay, conocidas como velas de fotones. El otro tipo son las llamadas de plasma. Estas son las que cumplen mejor con la definición de vela, ya que se mueven precisamente gracias al viento solar, al crear un campo magnético o eléctrico (según del tipo que sean), el plasma que lleva el viento solar hace que se mueva la vela.

Hasta ahí los rasgos generales. Tras el salto, una explicación más detallada.
Empecemos con un poco de física "seria". El primero tipo que vamos a definir son las velas de fotones:

Como decíamos al principio, con la mecánica cuántica se introdujo el concepto de dualidad onda corpúsculo. Gracias a esto, las ondas se comportan también como partículas, por tanto, toda OEM puede verse como un chorro de fotones que al estar moviéndose, tienen una masa que podemos deducir de la famosa ecuación de Einstein $$E=mc^2$$. Además de esto necesitamos la cantidad de movimiento, que normalmente es $p=mv$ donde "p" sería la cantidad de movimiento, "m" masa y "v" la velocidad. Al centrarnos en este caso en OEM tenemos que $p=m \gamma {c}$, donde hemos cambiado "v" por $\gamma{c}$ que es la velocidad de la luz en el vacío por el factor de Lorentz. Despejando la masa de la primera ecuación y sustituyéndola en la segunda nos queda lo siguiente: $E=c p$. Ahora utilizamos la fórmula $E=h \Nu$ siendo h la constante de Planck y $\Nu$ la frecuencia de la onda. Igualando las energías de ambas fórmulas obtenemos que $cp=h\nu$, donde si despejamos: $$p=\frac{h \Nu}{c}$$. Ahí podemos ver que la cantidad de energía solo depende de la frecuencia. Por otra parte tenemos que $c=\lambda \Nu$, con $\lambda$ la longitud de onda, que sustituido en la fórmula anterior llegamos a $$p=\frac{h}{\lambda}$$. Aquí vemos que cuanta mayor sea la longitud de onda, menos cantidad de movimiento tiene. Cuando un fotón se refleja en una superficie, su velocidad se mantiene constante, pero su longitud de onda aumenta, de donde deducimos que le ha transferido parte de su energía a dicha superficie. Esta energía que conseguimos (en forma de energía cinética) es la que dará pié a que funcionen nuestras velas solares de fotones.

Aquí podemos comprobar el tamaño que tienen, referenciado a las personas que tiene alrededor

La cantidad de energía de un fotón es tremendamente baja. Pero la gran ventaja es que es constante. El sol está todo el rato emitiendo fotones, con lo que esperando el tiempo justo, alcanzará grandes velocidades, con la ventaja de siempre: Combustible a bordo 0. Estas velas tienen grandes superficies para poder recoger el máximo de radiación posible. Para esto se utilizan materiales lo más ligeros y reflectantes posible, ya que cuanto menos pese será más fácil moverlo y cuanto más refleje, más energía cinética le "robaremos" a los fotones. Otra ventaja es que, a fin de cuentas, estamos diciendo que nuestras velas se mueven con fotones. Nadie dice que esos fotones tengan que venir del sol por narices, podemos creamos nosotros con nuestros láseres o máseres. Por lo que podríamos mandarle un impulso extra desde la tierra o algún satélite, aunque con ciertas limitaciones.

Continuemos ahora con las velas de plasma:

Como decíamos también al principio del post, este tipo de vela hace más honor a la acepción de vela asociada a la navegación, ya que se impulsa gracias al viento solar.  Para los que no estén puestos en el tema, en la corona solar con las temperaturas tan extremas que hay, la materia que hay se ioniza y es emitida en forma de plasma, que en este caso está compuesto en un 95% de protones y electrones.

Magnetosfera terrestre, afectada por el viento solar

Por lo tanto nuestro nuevo tipo de vela será una malla gigante en la que crearemos un campo eléctrico o magnético (de ahí los dos subtipos: velas magnéticas y velas eléctricas). Que se encargarán de repeler el plasma (como un imán) y de ahí generaremos nuestra energía cinética.

Nótese que las partículas del viento solar son más escasa y unas 1000 veces más lentas que los fotones, pero tienen una masa mucho mayor, lo que implica más energía. Aún así el efecto que produce este tipo es unos tres órdenes de magnitud inferior al de las de fotones.

Como mención final, cabe decir que con la aceleración tan baja que tienen, no son capaces de abandonar la atmósfera terrestre por ellos mismos, por lo que suelen sacarse al espacio dentro de una lanzadera convencional y una vez allí se eyecta y despliega, para funcionar de manera autónoma.

Referencias: Wikipedia.  Imágenes extraidas también de la Wikipedia: Nanosail, Vela, Magnetosfera