La NASA prueba con éxito el único 'motor estelar' que no necesita combustible
La NASA acaba de hacer realidad una nave que hasta ahora era pura ciencia ficción, un nuevo método de propulsión que acaba de pasar todas las pruebas necesarias para declararlo apto para misiones espaciales. La primera vela solar que, según me cuenta el jefe del programa Les Johnson, estará en órbita lista quizás en sólo cinco años, con la instrumentación necesaria para prevenir la extinción de la civilización en manos de un evento Carrington o Miyake. Una vela solar que, en un futuro no muy lejano y después de nuevos desarrollos, será la tecnología que nos llevará a otro sistema estelar propulsada por rayos láser.
Johnson me dice por videoconferencia que él es un ‘nerd’ declarado y orgulloso de la ciencia ficción y la exportación espacial. En su puesto de ingeniero del legendario Marshall Space Flight Center, en Huntsville, Alabama, Johnson lleva la friolera de 20 años haciendo realidad este sueño de propulsión de una nave espacial real con vela solar.
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El científico me cuenta que se obsesionó con la idea de las velas solares, un método de propulsión que usa fotones como fuerza de empuje, cuando leyó la novela ‘The Mote in God’s Eye’ escrita por Jerry Pournelle y Larry Niven en 1974. Esa narrativa no fue la primera vez que alguien pensó que el Sol tenía el potencial de impulsar una nave espacial como el viento impulsa un velero. Esta idea fue inicialmente mencionada por Julio Verne en su famoso ‘De la Terre à la Lune’ y detallada más adelante por Arthur C. Clarke, el autor de 2001: Una odisea en el espacio, en su relato corto ‘Sunjammer’.
Pero fue aquella mota en el ojo de dios lo que impulsó a Johnson a trabajar en la NASA y, eventualmente, conseguir que la Dirección de Misiones Científicas de la agencia espacial norteamericana financiara el hasta conseguir llegar al ansiado TRL 6 (las siglas en inglés de ‘nivel de preparación tecnológica 6’) que la marca como lista para realizar su primer viaje en una misión real.
Convertir la ciencia ficción en realidad
“Las velas solares son una de las tecnologías más prometedoras para la futura exploración espacial”, señala Johnson, porque esta tecnología sólo usa el poder de la luz solar para la propulsión, eliminando la necesidad de combustible tradicional. El método, explica, ofrece una forma sostenible y eficiente de navegar por el cosmos, con el potencial de impulsar las naves espaciales a velocidades y distancias sin precedentes.
El principio central detrás de las velas solares, como describe Johnson, es igual de elegante como la navegación sobre el mar: “Al igual que un velero usa el viento para empujarlo a través del agua, las velas solares usan la presión de la luz solar para empujarlos a través del espacio”. Esta presión es extremadamente suave pero, a medida que los impactos de fotones se acumulan en el material ultrafino de la vela, la nave espacial acumula gradualmente una velocidad significativa.
El entusiasmo de Johnson por el proyecto es palpable. “Lo que estamos viendo aquí no es solo una nueva forma de mover la nave espacial, sino un cambio de paradigma en la forma en que pensamos sobre los viajes espaciales”, enfatiza. La promesa de las velas solares se extiende más allá de la mera propulsión, ofreciendo una visión de un futuro en el que las misiones de larga duración se vuelven factibles sin el coste y limitaciones que las hacen prohibitivas o directamente imposibles con motores químicos convencionales.
La tecnología puede revolucionar nuestro enfoque para explorar el sistema solar
Retos de diseño esperados…
Cuando Johnson y su equipo comenzaron a diseñar la primera vela espacial se encontraron con muchos problemas que ya esperaban pero que, sorprendente, fueron fáciles de solucionar a nivel tecnológico.
Uno de ellos eran los materiales. “Las velas solares requieren materiales que no solo sean altamente reflectantes, sino también increíblemente ligeros y duraderos”, explica Johnson. Lo más importante es que debe mantenerse un delicado equilibrio entre la robustez del material y su masa. Si el material es demasiado grueso, pesará demasiado y disminuirá la capacidad de la carga notablemente. Encontraron la solución de la mano de la misma compañía que fabrica el escudo solar del telescopio James Webb. “Nos hemos decidido por un tipo de polímero ultrafino con revestimiento metálico que cumple con estos criterios”, señala, muy similar al del material del escudo. La compañía lo produce en rollos de un metro de ancho que luego se cosen en una nave industrial hasta crear la colosal extensión total de la vela, de 1.651 metros cuadrados de superficie.
Una vista de la vela parcialmente desplegada. (NASA)
Una vista de la vela parcialmente desplegada. (NASA)
Lógicamente, la vela no puede lanzarse extendida. Debe ir enrollada dentro del cohete, lo que obliga a tener un sistema de extensores que la despliegue del tamaño de un paquete compacto requerido para su lanzamiento a la superficie completa de unos tres campos de baloncesto. Todo esto asegurándose de que no se líe con la nave a la que va unida, impidiendo su correcto funcionamiento. “Uno de los mayores desafíos fue diseñar un mecanismo de despliegue que fuera a la vez fiable y ligero”, revela. Pero este reto también lo resolvieron sin problema en varios tamaños de prueba hasta alcanzar el tamaño final para una misión real.
… y uno totalmente inesperado
Pero el reto de diseño real fue algo que no esperaban: una vez tienes la vela en el espacio, ¿cómo la diriges? Según Johnson, mantener la orientación y el control adecuados fue extremadamente difícil.
Señala que el control del cabeceo (el control de la dirección hacia arriba o abajo) y la guiñada (el control de la dirección hacia izquierda o derecha) es relativamente sencillo. Éste se logra a través del movimiento de la masa de la nave usando un dispositivo mecánico que se mueve para mover la nave espacial en relación con la vela en las coordenadas X e Y. El dispositivo es un tornillo que ajusta la nave espacial en relación con el centro de masa de la vela para equilibrar las fuerzas y mantener el rumbo deseado.
Otra de las vistas de un sector de la vela. (NASA)
Otra de las vistas de un sector de la vela. (NASA)
El problema del alabeo (la rotación en el eje direccional Z en un espacio tridimensional) fue lo más complejo de resolver. El equipo desarrolló dispositivos de control en forma de parches de películas delgadas incorporadas a la tela de la vela. Estos parches alteran su reflectividad cuando se aplica un voltaje, absorbiendo o reflejando más luz, lo que resulta en un ajuste de la cantidad de fuerza en un área particular de la vela. Por ejemplo, reducir la reflectividad de la vela de totalmente reflectante a solo la mitad cambia la fuerza ejercida sobre esa área de la vela, permitiendo así el control del balanceo. El cambio parece totalmente imperceptible a la vista, pero el cambio de los fotones reflejados es suficiente para controlar el giro.
Dura batería de pruebas
Johnson me contó la rigurosa secuencia de pruebas diseñada para garantizar la preparación de la vela solar para el duro entorno del espacio. “Hemos sometido las velas a extensas pruebas de vibración para simular las condiciones de lanzamiento, el ciclo térmico para imitar las temperaturas extremas del espacio y la exposición a la radiación para evaluar su durabilidad durante largas misiones”, describe, incluyendo el impacto de los micrometeoritos, que no causarían ningún daño en la efectividad de la vela durante la duración típica de una misión. Estas pruebas, según Johnson, son fundamentales para avanzar en el nivel de preparación tecnológica (TRL) que hacen que no sean sólo construcciones experimentales sino un sistema de propulsión viable para la exploración espacial.
El sello TRL6 abre una gran cantidad de posibilidades para futuras misiones, y Johnson está ansioso para verla en acción. “La tecnología puede revolucionar nuestro enfoque para explorar el sistema solar”, me dice. Las velas solares, con su capacidad para acelerar continuamente durante largos períodos, ofrecen un nuevo paradigma para las misiones que podrían incluir visitar asteroides sin límite, estudiar planetas exteriores e incluso aventurarse más allá del sistema solar en las siguientes encarnaciones de este sistema. Lo que está claro es que, según él, “el éxito de esta prueba no es solo un logro técnico; es una puerta de entrada al futuro de la exploración espacial”.
El futuro
“Las velas solares operan según un principio simple pero profundo: capturan el impulso de los fotones del sol”, describe. A pesar de que los fotones no tienen masa, su impulso cuando se refleja en la vela genera un empuje pequeño pero continuo. “Es una hermosa aplicación de la física. La presión constante de la luz del sol contra la vela genera suficiente fuerza para acelerar gradualmente una nave espacial a altas velocidades”.
El empuje generado por una vela solar no es constante: varía con varios factores. “Cuanto más cerca estés del sol, más intensa será la luz del sol y, por lo tanto, mayor será el empuje”, me dice. La variabilidad significa que las misiones de la vela solar deben planificarse cuidadosamente para optimizar la trayectoria y aprovechar el empuje variable. “También es una función de la masa de la nave espacial y el tamaño de la vela”, señala Johnson. Debe existir un equilibrio entre el área de la vela y la masa de la nave espacial para lograr la aceleración deseada. A más área, mayor masa puedes empujar o más rápida puede ir la nave.
“Su ventaja más significativa es la eliminación del combustible”, asegura. Esto no sólo reduce el peso de lanzamiento desde la Tierra, sino que también extiende la duración potencial de la misión indefinidamente, ya que la vela no agota su fuente de propulsión. “Además, la capacidad de acelerar continuamente puede permitir que las velas solares alcancen velocidades que son difíciles de alcanzar para los sistemas de propulsión tradicionales”, añade. Esta capacidad abre nuevas posibilidades para sondas interestelares y misiones de exploración en el espacio profundo que anteriormente estaban fuera de nuestro alcance.
La primera misión también resolverá un reto hasta ahora imposible de solucionar: la observación del Sol desde un punto de vista estático que aumente el tiempo de alerta en la Tierra ante un posible evento Carrington o Miyake provocado por una tormenta solar de gran magnitud.
Sin límites
Johnston afirma que, según los cálculos del equipo, las velas solares podrían colocar naves espaciales de vela solar más cerca del sol que los actuales puestos de observación en puntos L1 Lagrange. “Nos permitiría aumentar los tiempos de advertencia para las tormentas solares hasta en un 50%”, explica Johnston, algo crítico para poder proteger la civilización en tierra y órbita de una brutal explosión la radiación solar. Johnston prevé que las velas solares permitirán a las misiones estudiar el Sol más de cerca en puntos estáticos (ahora podemos rozar el Sol a gran velocidad, pero esto no ayuda a alertar sobre su actividad ni a comprender la física detrás de las tormentas solares.
También me contó que existe interés de los científicos planetarios en el uso de velas solares para misiones a Mercurio, Venus y varios asteroides. Al poder impulsar naves espaciales sin combustible, podemos llevar a cabo múltiples misiones o visitar varios asteroides sin limitaciones prácticas: “Podremos visitar potencialmente múltiples asteroides y nunca quedarnos sin combustible. Seguir adelante hasta que el sistema se caiga de viejo”.
Más adelante, Johnson me contó que anticipa que la tecnología se podrá usar para llegar a Próxima Centauri en el transcurso de una vida humana. Ahora mismo tenemos limitaciones tecnológicas, como la falta de sistemas láser de alta potencia en órbita para poder impulsar las naves a velocidad relativista, pero con los avances en la ciencia de los materiales y la ingeniería, podremos hacerlo sin problemas en un futuro cercano. Llegar a sistemas estelares vecinos dentro de los plazos razonables —como propone Avi Loeb y el proyecto Breakthrough Starshot— será un salto de gigante con las capacidades de las tecnologías de propulsión actuales.