Velo solar

Un cuerpo macizo animado por una velocidad con respecto a una marca de referencia tiene una cantidad de movimiento que es el producto . Una partícula sin masa (como un fotón ) tiene una característica que se expresa en la misma unidad y que se llama "impulso": la relación entre su energía y su velocidad. metrov{\ Displaystyle m \ mathbf {vb}}

Por motivos de conservación , la absorción de la partícula por un objetivo provoca un retroceso de este último según la fórmula:

pag=hνvs=hλ{\ Displaystyle p = {\ frac {h \ nu} {c}} = {\ frac {h} {\ lambda}}}

con

pag{\ Displaystyle p}

h{\ Displaystyle h}

ν{\ Displaystyle \ nu}

vs{\ Displaystyle c}

λ{\ Displaystyle \ lambda}

Si la partícula se refleja y no se absorbe, transmitirá el doble de su impulso.

Para simplificar los cálculos, suponga que el Sol no emite una variedad de longitudes de onda, sino solo una longitud de onda de 0,5 μm.

• El momento de cada fotón será, por tanto, cercano a 1 × 10 −27  kg m s −1 ,
• y su energía E p = 3,96 × 10 −19  J , es decir, 2,5  eV .

El sol emite una energía total E s = 3,9 x 10 26  W . Esto representa E s / E p = 10 45 fotones por segundo.

En la órbita de la Tierra, estos fotones se distribuyen en una esfera de 150 millones de kilómetros de radio, es decir, una superficie de 2,8 × 10 23  m 2 .

Esto representa una densidad de 10 45 / (2.8 × 10 23 ), o 3.57 × 10 21  fotones s −1  m −2 .

Multiplicamos por el doble del impulso de cada uno para obtener el impulso máximo que puede recoger 1  m 2 de velo solar en la órbita terrestre, es decir 9,4 × 10 −6  kg m s −1  m −2 .

Para acelerar 1  kg de 1 m / s 2 , por lo tanto, necesita al menos un área de 106383  m 2 , es decir, un cuadrado de 326 m × 326  m , la masa de esta vela debe deducirse para obtener la carga útil. Una vela de este tamaño usando menos de 1  kg de material se rompería inmediatamente en la Tierra bajo cualquier calado, pero este problema obviamente no existe en esta magnitud en el espacio.

También podemos pensar en el viento solar (flujo de partículas cargadas eléctricamente, enviadas desde el Sol) como una contribución al fenómeno. Aquí hay un pequeño cálculo para arreglar las ideas.

Las características del viento solar a nivel de la Tierra son:

Velocidad de las partículas: aproximadamente 500  km / s = 5  × 10 5  m / s .

Densidad: alrededor de 10 partículas por centímetro cúbico, o 10 7 partículas por metro cúbico.

En un segundo y más de 1  m 2 , sucede que N = 5 × 10 5 × 10 7 = 5 × 10 12 partículas.

La composición es variable, pero en su mayoría contiene electrones y átomos de hidrógeno ionizados (es decir, protones ). La masa de cada partícula se puede estimar como: m = 2 × 10 −27  kg .

Si rebotan completamente en la vela, cada una transmitirá a la vela un impulso igual al doble del propio, es decir p = 2  m v = 2 × 10 −21  kg m s −1 .

La aceleración sufrida por 1  m 2 es por tanto: a = N × p / 1 s = 10 -8 m / s 2 .

Todo esto es una estimación alta. Si lo comparamos con la presión radiativa encontrada anteriormente (es decir, 5 × 10 -6 ), el viento solar contribuye en el mejor de los casos solo con el 0,2% del total. Y, de hecho, si tenemos en cuenta la proporción de electrones (la mitad del flujo), cuanto más se redondean, más débil es el reflejo de los iones, que más bien quedarán incrustados en la vela, podríamos al menos dividir por 4 este orden de magnitud, o en última instancia una contribución del orden del 0,05%, es decir, insignificante.

Por otro lado, se puede considerar el uso del campo magnético creado por partículas cargadas eléctricamente para propulsarse, usando una vela magnética .

Diseño

Por tanto, se entiende que la superficie que ofrece la vela es una característica primordial en el funcionamiento de este medio de propulsión ( es necesaria una vela de 110.000  m 2 para obtener un empuje de 1 kg m / s 2 ). La dificultad será entonces transportar esta vela durante las órbitas de estas máquinas, desplegarla y dirigirla en el vacío del espacio.

Existen diferentes formas de velas:

• velas cuadradas, sólidas y fáciles de dirigir, pero complejas de desplegar y menos eficientes porque ofrecen una superficie menos útil a los rayos del sol;
• las velas redondas desplegadas por movimiento de rotación son más fáciles de transportar pero muy complejas de gobernar;
• Velas heliogyro formadas por palas fijadas alrededor de un eje central más fáciles de desplegar y dirigir pero menos rígidas y por tanto más frágiles.

La calidad del dosel también es importante. Debe ser fuerte y ligero y tener el máximo poder reflector de luz. Al diseñar un medio de propulsión para el futuro satélite de estudio del cometa Halley en 1973, la vela solar estaba hecha de polímero mylar y kapton de solo unos pocos micrómetros de espesor.

Logros

Varias velas solares se han lanzado al espacio o están en estudio o en desarrollo. Se trata de prototipos destinados a desarrollar los distintos sistemas específicos de este tipo de propulsión, en particular el despliegue de la vela y la orientación del empuje. IKAROS es una vela solar desarrollada por la agencia espacial japonesa JAXA , lanzada en 2010 y todavía operativa en 2014. Su superficie de 173 m² le permite un cambio de velocidad máximo de 12 m / s al cabo de un mes. Con una masa total de 315 kg incluyendo 2 kg para la vela solar, circula en una órbita heliocéntrica de 10 meses. NanoSail-D2 es una pequeña vela solar de 10 m² fabricada para la NASA y que se lanzó en 2011. La continuación de este proyecto es Sunjammer , una vela solar de 1200 m², que iba a ser lanzada en 2015 pero cuyo desarrollo se ha interrumpido en 2014. Por último, LightSail-1 es una vela solar de 32 m² desarrollada por la Planetary Society y cuyo lanzamiento está previsto para 2016.

Histórico

• 1616  : Efectos de la luz en las trayectorias de los cuerpos celestes observados por Johannes Kepler a partir de la orientación de las colas de los cometas lejos del Sol.
• 1873  : Obras de James Clerk Maxwell sobre electromagnetismo para explicar este fenómeno.
• 1889  : Faure y Graffigny, novelistas franceses de ciencia ficción, imaginan una nave espacial usando un enorme espejo para captar la presión de la luz solar.
• 1901  : Pyotr Lebedev destaca la presión de la radiación .
• 1915  : Obras de Yakov Perelman en Rusia .
• 1924  : Las obras de Friedrich Tsander , en la URSS , formulan la idea de utilizar espejos para vuelos en el espacio interplanetario; “Para vuelos en el espacio interplanetario, estoy trabajando en la idea de utilizar espejos formidables hechos de láminas extremadamente delgadas y capaces de obtener resultados interesantes” .
• 1955  : Hermann Oberth desarrolla el concepto de espejo espacial utilizado para capturar la radiación solar.
• 1955 - 1966  : Cordwainer Smith desarrolla el principio de la vela solar en sus novelas y cuentos que constituyen Los Señores de la Instrumentalidad .
• 1958  : Invención de la expresión “Solar Sailboat” por Richard Garwin , en el número de marzo de Jet Propulsion .
• 1970  : El efecto de la presión solar se utiliza para la orientación de la sonda Mariner 10 durante su vuelo a Mercurio .
• 1973  : La NASA y la ESA comienzan a trabajar en veleros solares para unirse al cometa Halley en 1986 (el proyecto se abandonó en 1977 porque el desarrollo de esta tecnología era demasiado lento).
• 2005  :21 de junio, lanzamiento de Cosmos 1 , la primera nave espacial impulsada por energía solar: fue un fracaso cuando se puso en órbita.
• 2007  : Japón prevé una sonda propulsada por la vela solar IKAROS , y estudia con el ISAS , que lanzó una convocatoria de propuestas, el material científico que podría ser transportado por esta sonda, que debería ser lanzada por el cohete japonés H-IIA con el Satélite PLANET-C que explorará Venus (lanzamiento previsto para 2010).
• 2008  : No se pudo iniciar Nanosail-D en3 de agosto.
• 2010  : lanzamiento exitoso el 20 de mayo de IKAROS , y20 de noviembredel microsatélite FASTSAT , incluida la vela solar Nanosail-D2 .
• 2011  : despliegue exitoso de Nanosail-D2 en20 de enero.

En ficción

La vela solar es un tema de ciencia ficción  :

• The Pollsters Live in Vain (1950), cuento del ciclo The Lords of Instrumentality , de Cordwainer Smith
• Los veleros del sol (1961), novela de Gérard Klein
• Polvo en los ojos de Dios (1974), novela de Larry Niven y Jerry Pournelle
• Le Vol de la Libellule (1984) (1986 para la traducción francesa), novela de Robert Forward
• Star Trek: Deep Space Nine , episodio "Explorers" (episodio 22 de la temporada 3). Las "naves luces" utilizan la luz de una estrella y velas especialmente construidas para impulsarlas al espacio.
• La mariposa estrella (2006), novela de Bernard Werber
• Alien: Covenant (2017), película de Ridley Scott
• Cosmos: Possible Worlds (2020), serie de televisión documental estadounidense presentada por Neil deGrasse Tyson

Notas y referencias

1. (in) Space Weather Prediction Center , "  Ace Real Time Solar Wind  " , NOAA (consultado el 28 de abril de 2016 ) .
2. (De) Lebedev PN, Untersuchungen ̈uber die druckr ̈afte des lichtes ,1901, p.  6: 433-458
3. (en) Richard Garwin, "  Navegación solar: un método práctico de propulsión en el sistema solar  " , Jet Propulsion , vol.  28,Marzo de 1958, p.  188-190 ( ISSN  0095-8751 )
4. (ja) Página sobre el proyecto Plantet-C

Ver también

Artículos relacionados

• Vela solar operativa IKAROS desarrollada por la agencia espacial japonesa
• Vela Sunjammer Solar desarrollada por la NASA y lanzada en 2015
• Vela magnética
• Energía solar

enlaces externos

• "Velas solares, el espacio despega", El método científico , Cultura francesa, 17 de septiembre de 2019
• Animación de una vela solar, en el sitio web de la NASA (formato QuickTime)
• La vela solar: Cosmos-1
• U3P (Unión para la Promoción de la Propulsión Fotónica: carrera Tierra-Luna, vela Libellule-Libélula, novedades…)