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Vela solar

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Prototipo de vela solar de 20 metros, desarrollado por la NASA.

Una vela solar es un método de propulsión para sondas y naves espaciales alternativo o complementario al uso de motores. Las velas solares captan empujes producidos por fuentes externas a la propia nave, de manera que esta no necesita transportar consigo ni motor ni combustible, aligerando considerablemente el peso de la nave, y pudiendo alcanzar así mayores velocidades.

En función de la fuente de impulso que pretendan captar, las velas solares se clasifican en dos grandes grupos:

  • Velas de fotones o fotónicas, compuestas por láminas reflectantes muy ligeras, capaces de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar. Además de los fotones de origen solar, las velas pueden diseñarse para aprovechar otros tipos de ondas electromagnéticas como rayos láser o microondas. Las velas solares se basan en un fenómeno cuyo efecto está comprobado y medido por la astrodinámica. La presión de radiación solar afecta a todas las aeronaves espaciales, ya sea en el espacio entre planetas o bien en una órbita alrededor de un planeta o cuerpo pequeño.
  • Velas de plasma, que generan un campo eléctrico o magnético capaz de interceptar el plasma del viento solar. En función del campo que generen se denominan velas magnéticas o velas eléctricas.

Debido a la escasa potencia que ofrecen, las naves con velas solares necesitan ser lanzadas al espacio por un cohete. Fuera de la atmósfera, su aceleración es lenta, pero el empuje se aplica de forma ininterrumpida, por lo que con el tiempo la nave puede alcanzar velocidades superiores a las logradas mediante propulsión a chorro, ofreciendo la posibilidad de operaciones de bajo coste económico combinado con una larga vida útil.

Hasta el momento solo se ha logrado lanzar con éxito la sonda IKAROS (21 de mayo de 2010) lanzado por la JAXA, parcialmente impulsada por este método, NanoSail-D2 (20 de noviembre de 2010) lanzada por la NASA para probar el despliegue de una vela de 10 m2 en la orbita terrestre con su posterior reentrada por rozamiento atmosférico a los 240 dias, la misión LightSail 2 (25 de junio de 2019) de la Sociedad Planetaria,[1]​ con una vela de 32 m² demostró que se puede cambiar la orbita solo usando presión solar.[2]​ En 2022 la NASA seleccionó el proyecto Diffractive Solar Sailing dentro del programa NIAC, con el objetivo de desarrollar velas difractivas que usen rejillas incrustadas en películas delgadas para aprovechar mejor la luz solar.[3]​ Hasta ahora las velas estaba hechas de un polimero plástico recubierto de una fina capa de aluminio, proporcionando resistencia y reflectividad, como el Kapton o el BoPET, pero actualmente está en desarrollo materiales basados en nanofibras de carbono, que son más ligeras, resistentes, y termicamente más estables, permitiendo a la nave con la vela acercarse más al sol para ganar más empuje. Se ha demostrado que una nave impulsada con una vela solar con una órbita lo suficientemente cercana al Sol puede llegar a alcanzar velocidades de escape del sistema solar.[4]​

Se ha dicho que las velas solares son «la única tecnología conocida que algún día podría llevarnos a las estrellas».

Historia

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Representación de la NanoSail-D, desplegada con éxito por la NASA en 2011.

El efecto de la presión solar fue señalado en el siglo XVII por Johannes Kepler, al observar que la cola de los cometas apuntaba en dirección opuesta al Sol.[5]​ En 1873 James Clerk Maxwell formuló matemáticamente la presión de radiación en su teoría del electromagnetismo. En 1899 Piotr Lébedev la confirmó experimentalmente.[6]​

Durante el siglo XX el concepto fue refinado por Konstantín Tsiolkovski y Friedrich Zander. El primer artículo técnico sobre velas solares fue «Clipper Ships of Space» (1951) de Carl A. Wiley.[7]​

La NASA, la ESA y la JAXA han desarrollado proyectos experimentales, como IKAROS (2010), NanoSail-D2 (2011) y LightSail-2 (2019), demostrando el principio de navegación solar.[8]​

En 2022, la NASA seleccionó el proyecto **Diffractive Solar Sailing** para fase avanzada del programa NIAC, buscando velas más eficientes en ángulos y maniobrabilidad.[3]​

Funcionamiento

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Modelo de trayectoria rápida con vela solar.

Un fotón se puede considerar como una propagación lineal de energía en forma de onda electromagnética. La energía de un fotón viene dada por la expresión E = h*c/λ = h*ν. Al entrar en contacto con ciertos materiales en vez de ser absorbidos pueden llegar a rebotar, como lo haría una canica contra una pared, de manera que según la física clásica el fotón transmitiría parte de su energía cinética a la pared (o al material contra el que rebote). Por eso se buscan materiales ultraligeros que reflejen muy bien la luz. Una vela solar refleja fotones del Sol, transfiriendo su momento lineal a la nave. La presión de radiación en la órbita terrestre es de ~9 μN/m², lo que equivale a un empuje muy pequeño pero constante.[9]​

La fuerza ejercida sobre una vela y por tanto la aceleración real de la misma varían con la inversa de la distancia al Sol al cuadrado, es decir, la fuerza disminuye rápidamente a medida que nos alejamos del Sol. También varía con el cuadrado del coseno del ángulo entre el vector fuerza de la vela y el radial al Sol.

Aunque la aceleración inicial es baja (del orden de 1 mm/s²), el empuje continuo permite alcanzar velocidades de decenas de km/s en meses o años, superando a sondas con cohetes químicos.

Limitaciones

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  • No pueden usarse en órbitas bajas por el rozamiento atmosférico.
  • Tienen problemas de maniobrabilidad y requieren velas muy grandes (cientos de metros por lado).
  • La transferencia de energía fotónica es extremadamente pequeña, lo que exige materiales ultraligeros y reflectantes.[10]​
  • La presión de radiación solar también afecta a la orientación.

Ejemplos modernos

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  • IKAROS (JAXA, 2010): primera sonda en demostrar propulsión solar en el espacio interplanetario.
  • NanoSail-D2 (NASA, 2010): primera vela solar en órbita terrestre baja.
  • LightSail 2 (Sociedad Planetaria, 2019): primera en demostrar control de navegación con presión solar.
  • Diffractive Solar Sailing (NASA NIAC, en desarrollo desde 2022).

Velas en la ciencia ficción

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La idea ha inspirado a autores como Arthur C. Clarke en Sunjammer (1964), Larry Niven en Mundo Anillo (1970), y sagas como Star Wars o Star Trek. También aparece en la película El planeta del tesoro (2002) de Disney.[11]​

Véase también

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Referencias

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  1. ↑ «LightSail 2 Demonstrates Controlled Solar Sailing». The Planetary Society. 31 de julio de 2019. Consultado el 31 de agosto de 2025. 
  2. ↑ «La vela solar lightsail 2 y el recuerdo de ikaros». EUREKA. 2 de agosto de 2019. Consultado el 10 de noviembre de 2025. 
  3. ↑ a b Mackenzi, Martin (30/05/22). «La NASA apuesta por la propulsión con velas solares difractivas». Europa Press. Consultado el 11 de julio de 2022. 
  4. ↑ García Álvarez, Marcos (Septiembre de 2021). «Propulsión de sondas mediante velas solares en órbitas cercanas al sol». 
  5. ↑ «La propulsión fotónica». Consultado el 15 de marzo de 2009. 
  6. ↑ «Pyotr Nikolayevich Lebedev». Consultado el 15 de marzo de 2009. 
  7. ↑ «The History of Solar Sailing» (en inglés). planetary.org. Archivado desde el original el 13 de agosto de 2008. Consultado el 13 de febrero de 2013. 
  8. ↑ «Small Solar Power Sail Demonstrator: IKAROS». Consultado el 17 de julio de 2010. 
  9. ↑ Christopher Neufeld. «The Physics of Solar Sailing». Consultado el 8 de enero de 2016. 
  10. ↑ «Solar Sails for Space Exploration» (en inglés). Consultado el 15 de marzo de 2009. 
  11. ↑ «Solar Sails in Science Fiction» (PDF). Consultado el 15 de marzo de 2009. 

Enlaces externos

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