¿Cómo se diseña una vela que pueda transportar una nave espacial a otro sistema solar?
agencia de la nasa viajero 1 Y el viajero 2 Las dos sondas, lanzadas en la década de 1970, siguen siendo los únicos objetos creados por humanos que abandonaron nuestro sistema solar. Si bien la pareja desafió las expectativas y todavía están trabajando, los investigadores continúan ideando nuevas misiones que podrían explorar más allá de nuestro vecindario estelar. Una de las técnicas conocidas como vela ligerauna vela propulsada por la luz en lugar del viento, parece ser un medio prometedor para lograr un objetivo tan ambicioso.
En dos nuevos estudios, los investigadores han descubierto la mejor manera de diseñar una vela ligera para viajes interestelares. Descubrieron que una vela de este tipo debería fluir y tener un patrón similar a una red y también llegaron a algunas conclusiones sobre los mejores materiales para usar.
Estos estudios se realizaron como parte de la Iniciativa Breakthrough Starshot, un proyecto de investigación e ingeniería destinado a desarrollar nuevos diseños para un vehículo ligero a vela capaz de viajar a alfa centauronuestros vecinos más cercanos en el sistema solar.
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Breakthrough Starshot es un proyecto con Breakthrough Initiatives, un “grupo de programas de ciencia espacial que investiga cuestiones fundamentales de la vida en el universo”, según Breakthrough Starshot. sitio web.
Breakthrough Starshot tiene como objetivo desarrollar una vela ligera que lleve una sonda del tamaño de una pequeña oblea al 20% de la velocidad de la luz. Este ritmo de alta velocidad hará que la sonda llegue a Alpha Centauri en unos 20 años. Según el comunicado.
Como referencia, Alpha Centauri se encuentra a unos 4 años luz de la Tierra, y algunos expertos Se estima que se necesitarán al menos 6.300 años para llegar al sistema con la tecnología actual.
¿Qué es una vela ligera?
Las velas ligeras no son ciencia ficción, ni son una idea nueva. Las velas ligeras, también conocidas como velas solares, pueden propulsar naves espaciales sin usar combustible para cohetes. Las velas de luz funcionan cuando las partículas de luz, conocidas como fotones, chocan con la vela reflectante, transfiriendo su impulso a la placa.
Con el tiempo, billones y billones de fotones golpearán la vela, dando suficiente impulso para “empujar” la nave hacia adelante.
En 2019, Planetary Society, una organización de divulgación y educación espacial sin fines de lucro con sede en EE. UU., lanzó una nave espacial propulsada por un planeador financiada con fondos colectivos llamada vela ligera 2 a la órbita de la Tierra. La nave espacial cúbica es del tamaño de una hogaza de pan, pero su vela solar abarca 433 pies cuadrados (32 metros cuadrados).
La vela ligera del vehículo consta de cuatro secciones triangulares hechas de mylar de aluminio. Cuando la nave llegó al espacio en un cohete SpaceX Falcon Heavy, estaba maniobrando para ponerse en órbita utilizando el empuje generado por la luz solar.
La agencia espacial japonesa JAXA también ha lanzado una nave espacial que viaja con la ayuda de una vela solar llamada Ícaro.
Sin embargo, Starshot es diferente de LightSail 2. Si bien LightSail 2 se basa únicamente en los fotones del Sol, Starshot necesitará una luz más intensa para alcanzar las velocidades extremas que los líderes del proyecto esperan alcanzar. Para hacer esto, el proyecto tiene como objetivo utilizar láseres terrestres para enfocar una luz intensa directamente en las posibles velas de luz de las sondas Starshot, enviándolas rápidamente en su camino una vez que alcanzan la órbita.
Perfecta formación de velas solares
En este par de nuevos estudios, los investigadores han investigado la forma y el estilo más eficaces de una vela ligera.
El primer artículo, dirigido por Igor Bargatin, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de la Universidad de Pensilvania, propone el mejor material y forma para la vela ligera interestelar.
En primer lugar, el estudio sugiere que la vela ligera del Starshot debería estar hecha de láminas ultrafinas del compuesto químico óxido de aluminio y el disulfuro de molibdeno, un metal de transición de plata.
El equipo también recomienda que para evitar la ruptura, una vela ligera debe tener una curva significativa y “fluir como un paracaídas en lugar de quedar plana”, según el comunicado.
“La intuición aquí es que una vela muy estrecha, ya sea en un velero o en el espacio, es más propensa a llorar”, dijo Bargatin en el mismo comunicado. “Es un concepto relativamente fácil de entender, pero necesitábamos hacer algunos cálculos muy complejos para mostrar cómo se comportan estos materiales a esta escala”.
Especialmente con las altas velocidades a las que apunta el equipo de Starshot, la vela resistirá una cantidad significativa de presión cuando se la lleve al límite. Estos investigadores sugieren que la forma abultada ayudará a evitar que la vela se rompa bajo esta presión.
“Los fotones láser llenarán la vela como el aire que sopla una pelota de playa”, dijo en la misma declaración el autor principal, Matthew Campbell, investigador postdoctoral en el grupo Bargatine. “Y sabemos que los contenedores livianos y compactos deben ser esféricos o cilíndricos para evitar rasgaduras y grietas. Piense en los tanques de propano o incluso en los tanques de combustible de los cohetes”.
patrón importante
El segundo artículo exploró cómo un patrón dentro de la vela podría distribuir de manera más efectiva el calor de la luz de los rayos láser en el suelo.
“Si las velas absorben incluso una pequeña fracción de la luz láser incidente, se calentarán a temperaturas muy altas”, dice el autor principal Aaswath Raman, investigador del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCLA. Dijo en el mismo comunicado. “Para asegurarnos de que no se desintegre simplemente, necesitamos maximizar su capacidad de irradiar su calor, que es el único modo de transferencia de calor disponible en el espacio”.
Anteriormente, los investigadores sugirieron que la “tela” liviana de una vela podría cubrirse con pequeños agujeros espaciados uniformemente para lidiar con esta ansiedad frenética. Sin embargo, estos investigadores sugieren que la vela podría tener perforaciones además de la tela de la vela que se agrupan en un patrón de celosía para maximizar la distribución del calor.
“Hace unos años, pensar o hacer un trabajo teórico sobre este tipo de concepto se consideraba un poco exagerado”, dijo en la misma declaración el coautor Deep Jariwala, investigador que trabaja con Bargattin en la Universidad de Pensilvania. “Ahora, no solo tenemos un diseño, sino que el diseño se basa en materiales reales disponibles en nuestros laboratorios. Nuestro plan para el futuro será hacer tales estructuras a pequeña escala y probarlas con un láser de alta potencia”.
Estos papeles fueron publicado 16 de febrero en Nano Letras.
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