Una vela solar japonesa para traer muestras desde la órbita de Júpiter

Por Daniel Marín, el 5 abril, 2017. Categoría(s): Astronáutica • Japón • Sistema Solar ✎ 66

Japón tiene un modesto pero muy interesante programa de sondas planetarias. Además de la sonda Hayabusa 2 que va camino del asteroide Ryugu para traer muestras del mismo a la Tierra, Akatsuki en órbita de Venus o la futura sonda MMX de retorno de muestras de Fobos, la agencia espacial japonesa JAXA desarrolla otros proyectos para explorar la Luna o, por qué no, mandar velas solares a Júpiter. Al fin y al cabo Japón lanzó en 2010 la primera vela solar interplanetaria, IKAROS, así que esta nueva vela solar usaría obviamente las tecnologías desarrolladas inicialmente para esta misión.

Una vela solar japonesa que pasaría por Júpiter camino de un asteroide troyano (JAXA).
Una vela solar japonesa que pasaría por Júpiter camino de un asteroide troyano (JAXA).

A pesar de pasar por el gigante joviano, el objetivo principal de la misión no sería Júpiter, sino un asteroide troyano. Es decir, asteroides situados en los puntos de Lagrange L4 y L5 de la órbita de Júpiter que guardan muchos secretos sobre la formación del sistema solar, de ahí que la NASA haya decidido lanzar la sonda Lucy para estudiarlos. El uso de una vela solar serviría para poder viajar directamente hasta el asteroide, situado a casi 800 millones de kilómetros del Sol, y regresar a la Tierra con muestras de su superficie. De lograrlo, estaríamos hablando del retorno de muestras más lejano jamás llevado a cabo. Además, durante el sobrevuelo de Júpiter lógicamente se aprovecharía la oportunidad para observar el planeta gigante y sus lunas.

Dimensiones de la vela solar (JAXA).
Dimensiones de la vela solar (JAXA).
Detalles de la sonda, incluyendo el lander y la cápsula para las muestras (JAXA).
Detalles de la sonda, incluyendo el lander y la cápsula para las muestras (JAXA).
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Elementos de la sonda (JAXA).

Esta sonda tendría una masa de solo 1300 kg y emplearía una vela solar cuadrada de casi cincuenta metros de lado, es decir, una superficie de 2500 metros cuadrados (casi quince veces la superficie de IKAROS) estabilizada mediante giro. Su gran superficie le permitiría aprovechar la presión de radiación de la luz solar hasta una mayor distancia del Sol y, lo que es más importante, generar la energía eléctrica para los motores iónicos del sistema de propulsión (que, con un impulso específico de 7000 segundos, serían altamente eficientes). El gran tamaño de la vela garantizaría la generación de 5 kilovatios en la órbita de Júpiter. O sea, la misión sería como un cruce de Hayabusa —que emplea propulsión solar eléctrica y motores iónicos— con IKAROS, ya que sería la primera vez que se propone el empleo de una vela solar con motores iónicos.

La vela solar aproximándose a un asteroide troyano (JAXA).
La vela solar aproximándose a un asteroide troyano (JAXA).

Una vez en las cercanías del asteroide troyano una sonda de descenso se separaría de la vela solar a un kilómetro de distancia de la superficie y aterrizaría poco después. La nave, de 100 kg de masa, tendría unas dimensiones de 70 x 40 centímetros y se encargaría de recoger las muestras mientras la sonda se mantiene a una distancia prudencial del asteroide para estudiarlo desde lejos. La recogida de muestras se llevaría a cabo mediante dos mecanismos, uno para capturar el regolito superficial (similar al empleado por Hayabusa) y otro consistente en un taladro de gas a alta presión para extraer material a un metro de profundidad. El diseño de esta sonda de descenso recuerda a la famosa sonda Philae de la misión Rosetta. Y no es por casualidad, ya que la agencia espacial alemana DLR ha colaborado con la JAXA en este proyecto. Una vez completada su misión el aterrizador despegaría del asteroide y se volvería a acoplar con la sonda, donde pasaría las muestras a una cápsula con escudo térmico para el regreso a la Tierra.

La vela solar y el aterrizador de 100 kg para recogida de muestras (JAXA).
La vela solar y el aterrizador de 100 kg para recogida de muestras (JAXA).
Detalles del lander (JAXA).
Detalles del lander (JAXA).

El asteroide elegido debería tener entre 20 y 30 kilómetros de diámetro para garantizar unas condiciones de gravedad acordes con el diseño. Dependiendo del asteroide, la misión despegaría alrededor de 2022 mediante un cohete H-3 y tardaría entre 11 y 13 años en llegar hasta él y más o menos lo mismo en volver (una vela solar puede usarse para viajar hacia el Sol del mismo modo que un barco de vela puede navegar casi en sentido contrario al viento). Por lo tanto, estaríamos ante una misión que se prolongaría durante 25 años (!). Sin duda es mucho tiempo, así que la JAXA ha estudiado la posibilidad de hacer solamente el viaje de ida, aunque en este caso la misión perdería gran parte de su atractivo científico.

Ida y vuelta a Júpiter (JAXA).
Ida y vuelta a Júpiter (JAXA).
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Detalles de las fases de la trayectoria (JAXA).

Deberemos esperar a finales de 2018 para saber si la JAXA selecciona esta misión, que por ahora es una propuesta que se halla en una fase bastante avanzada. A pesar de que los tiempos de vuelo son muy elevados, no cade duda de que sería espectacular ver una vela solar pasando por Júpiter.

Referencias:

  • http://www.jsforum.or.jp/ISSS2017/papers/slide/17087_Slide_Dr.%20Osamu%20Mori.pdf
  • http://www.isas.jaxa.jp/outreach/isas_news/files/isas_news_420_ex.pdf
  • http://issfd.org/2015/files/downloads/papers/084_Saiki.pdf
  • http://www.isas.jaxa.jp/j/researchers/symp/sss14/paper/S2-010.pdf
  • https://repository.exst.jaxa.jp/dspace/bitstream/a-is/560432/1/SA6000046250.pdf


66 Comentarios

  1. Me encanta la idea de una vela solar para estudiar asteroides más allá del Sistema Solar interior, pero el concepto de orbitador + aterrizador + retorno de muestras lo veo muy complejo, aparte del tiempo de este esquema de misión. Si la llegan a aprobar, me imagino que le van a querer extirpar el aterrizador para abaratarla; una lástima del punto de vista científico, sin dudas, pero de seguir con todo lo demás igual sería una interesantísima misión sin dudas!

      1. Secundo la moción. El proyecto es muy interesante y digno de salir adelante pero le sobra complejidad, tiempo de vuelo y previsiblemente será demasiado caro. Un “simple” aterrizador será mucho más de lo que haga la NASA con Lucy, también dirigida a los troyanos.

  2. Ola, habría que organizar una especie de Copa América de velas solares entre las distintas potencias: ir hasta Netuno, ciaboga y vuelta…

    Ahora en serio, interesante proyecto. Decepciona un poco lo que pone el artículo al final sobre que habrá que esperar a 2018 para saber si va adelante el proyecto.

    Algo que no me ha parecido ver en estos artículos sobre velas solares es el dato sobre el material de qué están hechas. Supongo que un material ultrafino y ultratesistente… Mucha gente se sorprende sobre la resistencia del material con que se confeccionan velas tipo spi para vientos portantes o las “Código 0” para veleros, un material con la textura de una bolsa de supermercado (y más fina) pero de una resistencia portentosa. Nada que ver con las velas solares, pero estaría bien saber qué material es…

    1. Hace años hubo varios proyectos de hacer carreras de vehículos con velas solares para experimentarlas. Una de ellas pretendía que los vehículos fueran hasta la Luna, la rodearan y volvieran.

    2. Ola, habría que organizar una especie de Copa América de velas solares entre las distintas potencias: ir hasta Neptuno, ciaboga y vuelta…

      xD

    3. Me encantan las velas solares. En el inagotable e impagable blog de Daniel Marín se comentan algunos materiales: se usó mylar para LightSail A y celdas de silicio amorfo para IKAROS. Esta última, que fue la primera y hasta donde me consta única vela solar interplanetaria en volar correctamente, también tenía cristal líquido para el control de actitud de la nave.

  3. Muy buen artículo, como siempre.

    Es un proyecto que, aunque no se lleve a cabo, informa de las posibilidades, reconocidas por los ingenieros, de otros modos de propulsión alternativos a los cohetes.
    Si es posible hacer una vela tan ligera con panel fotovoltaico incorporado:
    ¿ Cabe la posibilidad de que un globo aerostático hecho con el mismo material que el de esa vela, una vez en los límites de la atmósfera, continúe actuando como vela en vez de como globo?
    Si fuera posible, quizá sería un sistema de lanzamiento alternativo a los cohetes, aunque fuese mucho más lento en llegar a los 8 km/s necesarios.
    Sé que es sólo un sueño de afionado, pero esto es como en la lotería, lo que se disfruta es la ilusión antes del sorteo.
    Como leí a otro comentarista: “abro el paragüas”…

    1. ¿Y cuando sea de noche como te arreglas con una vela solar? Porque el globo no va a estar permanentemente en la zona de luz. ¿Y que tipo de propulsión emplearía? Si es iónica como las que usan las velas solares, olvídate de poder siquiera entrar en órbita.

      1. Supongo que se puede acumular energía del día para seguir impulsándose de noche. También se puede subir a saltos, rebotando en la atmósfera y cogiendo velocidad en el vacío,…

        Tampoco es cosa de que un aficionado como yo diseñe el sistema a base de comentarios. 😉
        Yo sólo hago una sugerencia de que las tecnologías actuales puedan hacernos independientes de los cohetes para salir al espacio, si no es con mi ocurrencia, con ideas mas viables que aporten otros con más conocimientos.

        1. La intención de la propuesta es perfectamente comprensible, lo único que las velas solares no sirven de nada en este caso al ser un callejón sin salida. Aun solucionando el tema del impulso, deberías subir la vela hasta por lo menos 100 Km de altura, y ningún tipo de globo es capaz de alcanzar tal altura, e incluso a 100 Km el rozamiento con la atmósfera de la vela (la cosa menos aerodinámica que existe), la frenaría impidiendo que ésta pudiese acelerar hasta una velocidad significativa, y como sabes, velocidad, y mucha, es exactamente lo que hace falta para alcanzar la órbita, y una vela solar simplemente no sirve para eso.
          En mi opinión, el futuro seguirá perteneciendo a los cohetes, es el combustible empleado por estos lo que cambiará.

          1. Segúramente tengas razón en que es un callejón sin salida debido al rozamiento y la altura máxima que alcanzan los globos.
            Quizá, en un intento desesperado, se podría alcanzar más altura dándole al globo una forma de ala y usando el impulso para ascender.

            Gracias por tus respuestas.

          2. Da igual que tenga forma de ala si no hay aire en el que sostenerse. Insuficiente atmósfera para emplear cualquier tipo de aerodinámica, pero suficiente para crear resistencia a un cuerpo viajando a varios Km por segundo. En resumen, o sales de la atmósfera a miles de kilómetros por hora, u olvídate de viajar a la órbita. La única excepción a eso que se me ocurre, tal vez sea el ascensor espacial, con todos los límites que tiene.

            Un saludo.

          3. Da igual que tenga forma de ala si no hay aire en el que sostenerse. Insuficiente atmósfera para emplear cualquier tipo de aerodinámica, pero suficiente para crear resistencia a un cuerpo viajando a varios Km por segundo. En resumen, o sales de la atmósfera a miles de kilómetros por hora, u olvídate de viajar a la órbita. La única excepción a eso que se me ocurre, tal vez sea el ascensor espacial, con todos los límites que tiene.
            Un saludo.

            P.d- He escrito el mismo comentario justo antes de este pero aun esta pendiente de moderación ya que me equivoque y use otro mail al publicarlo, si lees esto Daniel puedes borrarlo sin problema.

      2. En cuanto al tipo de propulsión, propongo dos sugerencias:

        1) Mientras esté en una zona de la magnetosfera donde el campo magnético fuera intenso, generaría un campo magnético propio haciendo pasar corrientes por solenoides de conductor impresos en el globo con distintas orientaciones, para generar tracción o empuje y para orientar el globo. Quizá con estos electroimanes, usados durante mucho tiempo, sería suficiente para ponerse en órbita.

        2) Casi todo el helio del globo habría que extraerlo para disminuir su presión por ganar altura. Esto se haría mediante un compresor, que llevaría el gas a un depósito. Este helio se usaría en unos motores iónicos cuando el impulso electromagnético fuera débil.

        1. Buenooo, hay una alternativa, el cañón. El proyecto HARM sobrepasó los 100 km de altura. Gerald Bull era un genio y merecería una entrada aquí.

    2. Hola Fisivi

      Creo que estarás interesado en conocer el siguiente empresa/proyecto:

      https://www.youtube.com/watch?v=hOx6T0g2Tg8 (entrevista de >30 min al dueño de la empresa)
      http://www.thespacereview.com/article/151/1
      https://en.wikipedia.org/wiki/JP_Aerospace
      http://jpaerospace.com/

      Y no son simplemente una empresa frikis, quizás alguien esté familiarizado con el video de la silla en el espacio (un clásico)
      https://www.youtube.com/watch?v=k6PSbUl_68k&list=PL33FDE60F4EBA5877

      Un saludo,

  4. Como concepto veo la misión la mar de interesante.

    Pero posibilidades le veo pocas. Un cuarto de siglo son muchos años esperando. Pese a que los japoneses son muy longevos, alguno de los responsables de la misión habrá muerto de viejo antes de tener acceso a esas muestras, otros se habrán jubilado y los más jóvenes ni se acordarán. Por no hablar del público, claro.

    El problema es que Japón no dispone de lanzadores realmente potentes. El H-2 B solo puede poner en órbita de transferencia geoestacionaria ocho toneladas de carga (dos toneladas y media menos que el Ariane 5 ECA), así que para misiones interplanetarias se queda menos de cuatro. Y si les diera por usar el futuro H-3 (que entrará en servicio en 2020-21) tampoco podrían hacer gran cosa, pues su carga de pago a órbita geoestacionaria baja a 6.500 kg.

    Por otro lado, el potencial eléctrico de esa vela es modesto (5 kW en órbita de Júpiter), lo que limita drásticamente la potencia del motor iónico (la NASA estuvo trabajando hasta hace poco en un sistema iónico para el control de la ISS de 50 kW), así que por muy eficiente que sea el empuje será muy poco.

    Sin embargo, creo que este diseño de misión es muy adecuado para el futuro, sobre todo para la exploración del Sistema Solar interior, donde la cercanía al sol permite disponer de energía a raudales tanto para la vela como para el motor iónico. Para el espacio profundo, creo que lo realmente adecuado son motores iónicos alimentados por energía nuclear.

    Otra opción de futuro (muy de futuro) es desarrollar velas solares con materiales nanotecnológicos capaces de soportar tremendas temperaturas, hacerlas acelerar relativamente cerca del sol, en órbitas espirales, y lanzarlas a misiones sin retorno en el espacio profundo o interestelar.

    1. Bueno, el que la misión dure 25 años yo creo que pueden verlo más como que durante mucho tiempo pueden decir “oye, estamos llevand a cabo una misión tremenda a Júpiter”, serí una manera de justificarse…

      1. También es verdad… XD

        Por cierto, los de SpaceX ya han publicado el video del aterrizaje de la primera etapa reutilizada:

        xataka.com/espacio/spacex-nos-ensena-en-video-el-exitoso-aterrizaje-de-su-cohete-reciclado

          1. No hombre no, ya no le sirven… seguro que sale por peteneras, ¿no ves que quiere que se hable de él? Pues eso… lo que pasa que en vez de hablar de él, nos reimos de él, que no es lo mismo… no le ha pillado el punto a ser un troll todavía.

  5. Gracias por todo lo que nos enseñas , Daniel.

    Un detalle de niño repipi: creo que las dimensiones del aterrizador que mencionas no son las correctas. Mide 70×40 cm, no 7×4 metros. Efectivamente recuerda mucho por dimensiones y configuración a nuestro querido Philae.

    1. Teniendo en cuenta que son los únicos que construido una sonda con vela solar no experimental y los únicos que ya se han posado y traido a la tierra muestras de asteroides … no creo que se pueda decir que no tienen experiencia en misiones de este tipo. No han mandado sondas a Júpiter… lo único, pero para esta misión creo que son la agencia que más experiencia tiene.

      En cuanto al presupuesto… pues es probable que les quede un poco grande, pero quien sabe.

        1. En eso sí tienes razón, aunque son maestros de salvar in-extremis las situaciones, su último telescopio demostró graves fallos de desarrollo y testeo a muchos niveles… espero que hayan aprendido la lección.

  6. Hay un relato corto de Arthur C Clarke sobre una carrera de velas solares Tierra-Luna. Se llama Sunjammer y se editó en España en el libro “El viento del Sol”.

  7. Daniel, que tal, entiendo que quizás esta comparación es a nivel ilustrativo, ya que desde el punto de vista físico me parece que no corresponde: “Una vela solar puede usarse para viajar hacia el Sol del mismo modo que un barco de vela puede navegar casi en sentido contrario al viento.”
    Los barcos a vela pueden navegar casi en sentido contrario al viento por dos motivos (simplificando un poco las cosas): Una vela con perfil alar, y una quilla en el agua que anule una de las componentes del empuje de la vela con perfil alar.
    En el caso de la vela solar, entiendo que la radiación solar no cambia de su dirección al interponer una vela (por lo que el efecto del perfil alar no funciona) y por otro lado no hay una quilla que pueda anular una de las componentes.
    En cualquier me resultó muy interesante aprender que una vela solar funciona también para el viaje de regreso, me voy a poner a investigar como es que lo hace. Si alguien quiere dar una rápida explicación será mas que bienvenida. Saludos!
    http://www.fondear.org/infonautic/Barco/Diseno_Construccion/Quilla_Tandem/Quilla_15.jpg

    1. Se me ocurre que puede frenar ofreciendo un plano oblicuo en el sentido de la orbita: “-> “/” ->” (el Sol estaría “abajo”). La gravedad haría el resto, ciñendo la orbita. No se me ocurre como explicarlo mejor sin dibujitos. De la misma manera:”-> \ ->” aceleraría

      1. Claro, ahora que lo dices es bastante obvio. Me quedé con la idea del barco. Para volver desde júpiter, lo único que hay que hacer es usar la radiación para disminuir la velocidad orbital y listo… Igual voy a leer bien como es el sistema. Saludos!

    2. La vela de este artículo funciona también como panel solar fotovoltáico que alimenta un motor iónico. Quizá a la vuelta se use la propulsión iónica y esta supere el empuje de la radiación solar.

    3. La explicación es sencilla pero extraña para un profano en mecánica orbital. Esta sonda, igual que los planetas y que casi todas las otras sondas que se han lanzado al espacio, no se mueve libremente, como un barco en el mar, sino que sigue una órbita alrededor del Sol. Si apagamos los motores y plegamos la vela solar, la sonda se moverá eternamente en una elipse alrededor del Sol si no hay nada que la perturbe.

      Un hecho básico de mecánica orbital es que, si tenemos una nave en órbita y aumentamos su velocidad a lo largo de la órbita (es decir, le damos un impulso en el sentido de su marcha), cambiará de órbita a una más alejada del Sol. En cambio, si disminuimos la velocidad a lo largo de la órbita (es decir, le damos un impulso en el sentido contrario al de su marcha), cambiará a una órbita más cercana al Sol.

      Según la orientación de la vela, podemos empujar mediante la radiación la vela en el sentido de giro de su órbita o en el contrario. Más en detalle, la fuerza que ejerce la radiación tiene una componente en sentido centrífugo y otra en sentido tangente a la órbita. La componente centrífuga impulsa a la nave lejos del Sol pero, si la componente tangente es lo bastante grande y contraria al movimiento de la sonda, puede contrarrestar el efecto de la otra componente y hacer que la órbita sea más pequeña, es decir, más cercana al Sol, y acabará devolviendo la nave a la Tierra.

  8. Alucinando se podria generar con una vela magnetica una atraccion gravitatoria usando la asistencia gravitatoria de Jupiter para la regresion de la sonda y si se pudiera usar la gravedad del sol para decender a nuestro plano terrestre claro despues de haber decendido de Marte pues la vela no sirviria tendrian que colocarla vertical o horizontal para que regrese sino seria perdida de energuia,combustible tambien tiempo ya que este impediria el regreso creo que con impulso ganado se podria curvar Jupiter regresando tranquilamente esto mas serviria para enviar sondas sin retorno.

  9. Si no me entienden la vela ganaria tanta velocidad que no se podria frenar solo dejaria la sonda una distancia adecuada para interceptar el cuerpo este caso un asteroide la vela regresaria una gran velocidad que estaria frenando poco ha poco por la gravedad del cinturon de asteroides por si caso Marte o por ultimo la Luna esto lo frenaria a una velocidad razonable y llegaria ha tierra esto seria mas una vela recuperable algo parecido ha SpaceX pero en versión vela solar.

  10. fisiviki tu idea no es tan loca esto abarataria los lanzmientos satelitales ya que los goblos atmosfericos se elevan lo suficiente como para gastar menos combustibles cuando ya estaria cerca a la atmosfera solo un empujon y listo el coste seria mucho menor la manera de ensamblaje del cacharo seria estilo carpa de campamento una vez liberado el helio que serviria de combustible este se desplegaria como una vela solar seria algo bastante eficiente y barato.

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Por Daniel Marín, publicado el 5 abril, 2017
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