Una vela solar eléctrica para viajar a Urano en cinco años

Viajar al Sistema Solar exterior es difícil. Y caro también, vale. Pero, por encima de todo, es lento. Baste como ejemplo la sonda New Horizons, que fue lanzada en 2006 y llegará en 2015 a su meta, Plutón. Nueve añitos de nada para cruzar el Sistema Solar. Y mejor será que nos acostumbremos a este panorama hasta que no inventemos sistemas de propulsión avanzados. Pues bien, uno de estos sistemas es la vela solar eléctrica o E-Sail.

AlexandreSzames
Concepto de vela solar eléctrica E-Sail (Electric Solar Wind Sail)

A diferencia de las velas solares tradicionales -como la japonesa Ikaros-, una vela solar eléctrica no se propulsa por la presión de radiación de la luz del sol, sino por el viento solar. El principio es simple. Una nave despliega varias decenas de cables (entre 50 y 100) a su alrededor con simetría circular. Los cables, con una longitud de unos veinte kilómetros y con un espesor de apenas 25-50 micras, se someten a un voltaje de unos 20000 voltios mediante un cañón de electrones, de tal forma que se genera un campo eléctrico positivo que frena los protones del viento solar cuando chocan contra la vela virtual. Los protones proporcionan momento a la nave y ésta se mueve. Así de simple. El concepto de vela solar eléctrica es antiguo, pero el diseño concreto de E-Sail fue propuesto en 2006 por el finlandés Pekka Janhunen, del Instituto Meteorológico Finlanés. Janhunen y sus colegas prefieren usar el término ‘vela solar’ a secas, pero no creo que sea muy buena idea. Probablemente se confundiría muy fácilmente con una vela fotónica tradicional.

La E-Sail tiene sus pegas. Al depender del viento solar, no funcionaría bien dentro de las magnetosferas de los planetas y, a diferencia de las velas fotónicas, solamente pude variar su empuje en unos 30º con respecto a la dirección de avance. Todo esto no parece ser muy espectacular, pero es más que suficiente si lo que queremos es explorar el Sistema Solar exterior.

Veamos de lo que es capaz este bicho. El empuje proporcionado por una vela solar eléctrica sería muy pequeño, del orden de 0,5 newtons a la distancia que se encuentra la Tierra del Sol. Pero al ser constante permitiría alcanzar altas velocidades en unos años. Por ejemplo, una sonda de 550 kg tardaría 5,3 años en llegar a Urano u 8 años en alcanzar Neptuno. Naturalmente, el tiempo de vuelo se puede reducir si reducimos la masa aún más (tres años a Urano para una sonda de 300 kg).

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E-Sail (http://www.electric-sailing.fi/).

Una de las aplicaciones más interesantes de E-Sail sería enviar una sonda atmosférica para el estudio de Urano o Neptuno parecida a la que transportaba la misión Galileo de la NASA. No olvidemos que el estudio de los gigantes de hielo es prioritario para la comunidad científica internacional. El hecho de que la mayoría de exoplanetas detectados hasta la fecha tengan una masa igual o inferior a la de Urano o Neptuno ha vuelto este objetivo aún más interesante si cabe.

La sonda llevaría una vela solar eléctrica de 540 vatios y 100 kg (sí, los cables son muy finos, así que el peso total es pequeño), un módulo de 150 kg con los sistemas de comunicaciones y 35 kg combustible para maniobras de hasta 0,2 km/s y, por último, una cápsula atmosférica de 300 kg que entraría en la atmósfera de Urano a unos 28 km/s. Una alternativa es mandar un orbitador de 800 kg en vez de una sonda atmosférica, en cuyo caso el tiempo de vuelo hasta Urano sería de 9,6 años.

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Concepto de sonda a Urano basada en la E-Sail (Electric Solar Wind Sail).

La misión E-Sail a Urano sería más o menos algo así: un lanzador convencional situaría a la sonda en una trayectoria de escape con respecto a la Tierra. La E-Sail desplegaría sus cables ayudada por la fuerza centrífuga derivada de su rotación y, una vez activada, situaría la nave en una trayectoria hacia Urano. El módulo E-Sail se desprendería cuando la sonda cruzase la órbita de Saturno. A esas distancias el viento solar es demasiado tenue para ofrecer un empuje significativo. Ocho días antes del encuentro con Urano la cápsula atmosférica se separaría, mientras que el resto de la sonda maniobraría para evitar chocar con el planeta. Durante el feroz descenso por la atmósfera de Urano, la cápsula enviaría sus datos a la sonda, que los transmitiría posteriormente a la Tierra. Puesto que la sonda sólo funcionaría durante un periodo de tiempo limitado, quizás podría emplear paneles solares en vez de RTGs, aunque se vería obligada a usar plutonio-238 en calentadores RHUs para preservar los sistemas e intrumentos de las bajísimas temperaturas del Sistema Solar exterior.

La E-Sail también podría servir en un futuro lejano para sondas interestelares, bien como sistema de propulsión principal, bien como sistema de frenado dentro de un sistema solar alienígena. Pudiera parecer que este concepto es simple ciencia ficción, pero el 7 de mayo del año pasado se lanzó un pequeño cubesat llamado ESTCube-1 con un cable prototipo para una vela eléctrica tipo E-Sail. Su longitud era sólo de diez metros y el voltaje de 500 V, pero sirvió para demostrar las tecnologías relacionadas con este sistema.

Por supuesto, dudo mucho que veamos partir una E-Sail hacia Urano o Neptuno en muchos años, pero quién sabe, a lo mejor una década de estas nos llevamos una sorpresa.

Referencias:


31 Comentarios

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Fernando

“Baste como ejemplo la sonda New Horizons, que fue lanzada en 2006 y llegará en 2015 a su meta, Plutón. Nueve añitos de nada para cruzar el Sistema Solar.”

“Por ejemplo, una sonda de 550 kg tardaría 5,3 años en llegar a Urano u 8 años en alcanzar Neptuno. Naturalmente, el tiempo de vuelo se puede reducir si reducimos la masa aún más (tres años a Urano para una sonda de 300 kg).”

Daniel, New horizons pesa media tonelada (ref : http://www.spacetoday.org/SolSys/Plu...rizons.html). Con una vela solar, media tonelada a Plutón tardaría mucho más (si mis calculos mentales no me fallan ahora mismo)… así que a no ser que sea por reducir costes, ¿Cual es el beneficio de este sistema de propulsión?

Un abrazo

AntonioAntonio

Hola, Daniel:

Hay algunos datos que no me cuadran. En la web del inventor de la vela eléctrica se dice que una nave de una tonelada podría llegar a Plutón en menos de cinco años: http://www.electric-sailing.fi/theory.html

¿Cómo puede ser que una sonda de la mitad de peso tarde cinco años en llegar a Urano?

AntonioAntonio

Mmm quizás lo de los cinco años a Plutón se refiera a una sonda más pequeña, ahora que lo miro bien.

metzmetz

Quien dijo que la crisis no azuzaba el ingenio? ahora que esta cancelada cualquier mision “grande” a el Sistema Solar exterior, estan saliendo todas estas propuestas, los Cubesats interplanetarios, sonda JET para los géiseres de Europa o Encélado, la Trojan-JMO japonesa, y esta, que se orientan a estudios específicos, al estilo de las misiones a Marte desde la Pathfinder. ¿Es posible un enfoque faster, better, cheaper en la exploración del sistema solar exterior?

ildefonso lopez

estoy totalmente de acuerdo contigo es mas. los cubesat seran una gran acierto para la exploracion espacial planetaria y que nos traera muchas alegrias a nivel planetario. ¿exterior? eso puede tardar mas
me encantaria ver un cubesat orvitando europa, seria un ejemplo de lo que podemos llegar a hacer con mucho ingenio y poco dinero, hojala.
saludos a todos desde ferrol y gracias daniel por estar todos los dias ahi

EderEder

Aun así, la efectividad del viaje se ve drasticamente limitado por el peso.

Segun nos cuentas, a menor carga util, menor tiempo de viaje.
Esto solo serviria para escuetas sondas cientificas, que no veo obviamente nada mal. Seguramente no ahora pero en un futuro sera seguramente una manera muy barata de explorar el sistema solar exterior de forma también muy rapida.

Pero no sirve para viajes con humanos… aunque claro… quiza, para contrarrestar o igualar masa por peso por tiempo de viaje solo tendriamos que construir naves con unos cables MUCHISIMO más grandes, creo.

Armilar Zifferblatt

Cuando dices que está mal la cosa hasta que no desarrollemos métodos de propulsión avanzados, te refieres a motores iónicos y así, o hay alguna otra tecnología de propulsión de la que se hable poco?

яя

también había leído en algún sitio una propuesta similar para utilizar el empuje del viento solar pero utilizando un campo magnético, “una magnetosfera artificial” creo que es mas fácil de implementar..

на здоровье

JanJan

A mayor masa de la sonda o vehiculo, mayor tiempo de viaje… o usar un cohete más potente.
¿Cuanto se tardaria alcanzar por ejemplo Neptuno con una sonda flagship como Cassini en un cohete potente (dejemos el precio aparte), SLS, Delta IV, o Falcon-Heavy, sin “gravity assits” ni nada, tiro directo.

Chato Wilbury

Cuando escribiste el artículo originalmente, me enfoqué en la simplificación del retorno de muestras. Pero la pregunta Jan hizo que los datos en el párrafo “Europa Clipper” saltaran a la vista!!! 5 años menos de viaje son muy buenos para reportar triunfos políticos a cualquier presidente en turno!

RobertRobert

Como mantienes recto un cable de 20km de largo? por leve que sea la presión del viento solar no los doblaría reduciendo mucho su area total?

Jose PJose P

Por lo que se explica en el artículo la fuerza centrífuga se encarga de eso… Fue lo mismo que intuitivamente pensé yo, se deberían doblar, al menos un poco.
Imagino que esta gente debe haber hecho los cálculos incluyendo las tres variables en juego: Fuerz centrífuga, empuje del viento solar e inercia de la nave. Y el resultado, evidentemente, un nuevo sistema de propulsión.
Saludos!!

DavidDavid

¿A nadie más le viene a la mente la nave de la imaginación de Carl Sagan?

Muy interesante el artículo.

ManuelManuel

¿Y cómo frena? Vale, la aceleración radial positiva está dada por los protones del viento solar.

Pero para poner la astronave en órbita de, digamos Urano, hay que frenar en algún momento. Y eso no lo veo sencillo…

SergioSergio

este sistema de propulsión se podría combinar con algún otro para reducir más el tiempo de viaje?

CaresthCaresth

Una vez desplegada la vela, ¿no se “quedarían atrás” los cables si usamos otra propulsión? ¿Estarán preparados para ser arrastrados en vez de estar tirando de la nave? Porque menudo lío se puede montar con 100 cables de 20 kilómetros…

AntonioAntonio

Teniendo en cuenta que el viento solar va a 600-800 km/s, muy potente tendría que ser la otra propulsión para que los cables se quedaran atrás.

OscarOscar

Me pregunto sobre los viajes interestelares, cuál de las dos velas, la solar o la electrica podría ser más interesante desde el punto de vista de enviar la propulsión desde nuestro sistema solar bien sea mediante algun tipo de laser o haz positronico

OscarOscar

Me pregunto sobre los viajes interestelares, cuál de las dos velas, la solar o la eléctrica podría ser más interesante desde el punto de vista de enviar la propulsión desde nuestro sistema solar bien sea mediante algun tipo de laser o haz positronico.

rseferino

Desde hace 50 años existe una mejor forma de viajar por el sistema solar, de manera rápida y que posiblemente también se pudiera utilizar para llegar hasta las estrellas.

Robert HRobert H

He conseguido traducir del cirílico en la pag del rermolcador ruso esto:

“Para implementar este proyecto avanzado en el período de 2010 hasta 2018 destinado más de 17 mil millones de rublos. La distribución exacta de los fondos es el siguiente: 7,245 mil millones de rublos destinados al desarrollo del reactor de Rosatom corporación estatal, 3.955 millones de rublos – Centro de Investigaciones Keldysh para construir motores nucleares, y alrededor de 5,8 mil millones de rublos – RSC “Energía” en la producción de TEM”

Joé, parece que van en serio.

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