Explorar el Sistema Solar con velas eólicas eléctricas

Navegar por el cosmos y quedarse varado en el espacio sin combustible es una pesadilla recurrente en argumentos de películas de ciencia ficción. En la realidad, recientemente la nave espacial Dawn de la NASA dejó de comunicarse con la Tierra precisamente por quedarse sin hidracina, tras 11 años de misión.  

El combustible es un recurso de un alto valor en las naves espaciales, ya que no existe la posibilidad de repostar. Esto implica que, cuando se agota, la trayectoria de la nave es prácticamente incontrolable. Solo en algunos casos, cuando se usan ‘aletas’ que forman parte del satélite para desviarse a la dirección deseada, se logra dirigir una aeronave en presencia de la atmósfera terrestre.

En la mayoría de los casos, quedarse sin combustible significa dar la misión por finalizada, como ocurrirá también, por ejemplo, con el famoso telescopio James Webb. Este hecho ha llevado a los científicos a plantearse alternativas. Ahí es de donde surge la idea de ‘navegar’ por el espacio.

Como si de un velero impulsado por el viento se tratase, las velas solares emplean la presión de la luz solar para la propulsión, lo que hace innecesarios los pesados sistemas de los cohetes convencionales.

“Una tecnología propulsiva de este tipo tiene un gran potencial porque, al no consumir combustible, permite (al menos teóricamente) tiempos de misión ilimitados. Si queremos que nuestra fuente de energía para seguir una cierta trayectoria en el espacio no sea el combustible, hay que buscar otra alternativa”, explica a SINC el ingeniero aeroespacial de la Universidad de Sevilla Francisco Javier Urrios Gómez, coautor de un estudio que publica la revista Acta Astronáutica sobre cómo optimizar la planificación y orientación de las trayectorias de estas velas solares.

El físico Les Johnson, jefe del programa Solar Cruiser de la NASA, aseguraba en 2022 desde el Centro Marshall de Vuelos Espaciales: “La vela solar cautiva la imaginación. Es lo último en sistemas de propulsión verde. Lo que estamos haciendo es maniobrar en el espacio sin combustible, solo usando la energía natural para ir de punto A al punto B. Mientras brille el sol, podemos conseguir propulsión. Hay muchas misiones científicas que deben llevarse a cabo y que no pueden realizarse de otra manera”.

Recolectar la energía del Sol

Nuestro astro crea ingentes cantidades de energía gracias a los procesos de fusión nuclear que ocurren en su interior. Principalmente desprende radiación electromagnética (luz) y grandes chorros de partículas (protones, electrones, neutrones, etc), comúnmente llamado viento solar.

Las velas solares ofrecen una manera de recolectar parte de esta energía para usarla en el espacio profundo. Actualmente existen tres tipos: las convencionales o fotónicas que reflejan la luz del Sol con una gran superficie y son las más estudiadas; las eléctricas (E-sails), cables muy largos que se cargan a cierto voltaje; y las magnéticas, parecidas a las eléctricas, pero que consiguen la propulsión creando un campo magnético en vez de eléctrico.

“Cuanto mayor sea la distancia respecto al Sol, más se habrá expandido el viento solar por el espacio, y cada metro cuadrado de vela solar verá menos energía. Por esta razón, las E-sails tienen ventajas, como que la fuerza que generan sobre la nave cae más lentamente con dicha distancia -en comparación a las convencionales- y se han hecho experimentos en laboratorio sobre su viabilidad, otro avance respecto a las magnéticas”, señala Urrios Gómez.

Sin embargo, también presentan limitaciones, como que la aceleración que generan sobre la nave espacial es muy pequeña. Por otro lado, dicha aceleración generada por la vela solar nunca puede apuntar hacia el Sol, solo hacia fuera. Esto limitaría el recorrido. Sin embargo, estudios previos como el realizado por Wolfgang Seboldt, y Bernd Dachwald, del Centro Aeroespacial Alemán (DLR, por sus siglas en inglés), indican que sigue siendo posible hacer espirales, tanto hacia dentro como hacia fuera de dicha trayectoria.

Mejorar los algoritmos de control

En la NASA están llevando a cabo varios estudios sobre las E-sails, desde distintos puntos de vista: crear mejores modelos, hacerlas más potentes, diseñar trayectorias que aprovechen las ventajas que ofrecen o algoritmos de seguimiento de estas trayectorias.

El equipo de la Universidad de Sevilla se ha centrado en los dos últimos. “Utilizamos un modelo propulsivo (obtenido de la literatura y usado en múltiples estudios) y la disciplina conocida como ‘Control Óptimo’ para generar trayectorias desde la Tierra tanto hacia Marte como Júpiter, con una duración mínima. Y lo más importante, usamos el llamado ‘Control Predictivo por Modelo’ (MPC, por sus siglas en inglés) para que, una vez diseñada la trayectoria óptima, se pueda seguir”, argumenta Urrios Gómez.

Una nave equipada con motores de propulsión más convencionales es controlable, puede ir en cualquier dirección y lo rápido que se quiera. Sin embargo, las que dependen de velas solares están más limitadas. “Esto hace que sea ‘menos controlable’ y si una desviación con respecto a una cierta trayectoria de referencia no se corrige de manera eficaz, puede acabar siendo imposible seguirla”, continúa.

Debido a esto, para las velas solares hacen falta técnicas de control más sofisticadas y ahí entra en juego el MPC: utiliza el modelo propulsivo asumido para la E-sail y una estimación futura del viento solar para predecir la posición futura de la aeronave. Y con esta información, seguir la trayectoria de referencia de la mejor manera posible.

“Nuestro estudio mejora la tecnología porque presenta algoritmos de control eficaces para el seguimiento de trayectorias, usando E-sails como sistema propulsivo”, afirma el investigador español.

Su aplicación en misiones espaciales

Hasta el momento, varias misiones espaciales han usado velas solares convencionales, no eléctricas, como la sonda experimental IKAROS y LightSail 2, de la Sociedad Planetaria, lanzada al espacio en un cohete de la compañía de Elon Musk en 2019.

En cuanto a las eléctricas, ha habido misiones con el objetivo de demostrar el funcionamiento de esta tecnología, como la europea ESTCube-2, pero fallos ajenos a la E-sail durante la misión imposibilitaron la demostración. Actualmente, se habla ya de la misión sucesora de la serie: ESTCube-3.

Por su parte, la NASA y su centro de investigación también están en fase de desarrollo de esta tecnología. Si bien es cierto que recientemente están más centrados en las velas solares convencionales (como la misión ACS3, de la que ha desarrollado hasta una simulación en tiempo real), también han mostrado interés por las eléctricas con la misión HERTS.

“El peso de una nave espacial no es infinito, sino que está limitado por la capacidad del cohete que la pone en órbita. Esto significa que lleva una carga de combustible que no es demasiado elevada y es insuficiente para ciertas misiones, como la exploración consecutiva de numerosos asteroides o el estudio de los polos solares. Las velas solares, sin embargo, sí podrían llevar a cabo este tipo de misiones”, concluye Urrios Gómez.

Fuente: SINC