Le vele solari utilizzano l'energia del sole per spingere i veicoli spaziali attraverso il cosmo. Guarda altre immagini dell'esplorazione dello spazio. Foto per gentile concessione della NASA Centinaia di missioni spaziali sono state lanciate dall'ultima missione lunare, comprese diverse sonde per lo spazio profondo che sono state inviate ai bordi del nostro sistema solare. Però, i nostri viaggi nello spazio sono stati limitati dalla potenza dei motori a razzo chimici e dalla quantità di carburante per razzi che un veicolo spaziale può trasportare. Oggi, il peso di una navetta spaziale al momento del lancio è di circa il 95% di carburante. Cosa potremmo ottenere se potessimo ridurre il nostro bisogno di così tanto carburante e dei serbatoi che lo contengono?
Le agenzie spaziali internazionali e alcune società private hanno proposto molti metodi di trasporto che ci permetterebbero di andare più lontano, ma una missione spaziale con equipaggio deve ancora andare oltre la luna. La più realistica di queste opzioni di trasporto spaziale prevede l'eliminazione sia del carburante che dei motori a razzo, sostituendoli con le vele. Sì, giusto, vele.
La NASA è una delle organizzazioni che ha studiato questa straordinaria tecnologia chiamata vele solari che utilizzerà l'energia del sole per inviarci nello spazio profondo. In questo articolo, HowStuffWorks ti mostra come si è sviluppata l'idea della vela solare, dove la NASA e altri stanno testando questa tecnologia e fino a che punto le vele solari potrebbero portarci nell'universo.
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Un quadrante unico, Il sistema di vele solari di 10 metri è completamente dispiegato in una camera a vuoto di 50 piedi di diametro presso il Langley Research Center della NASA a Hampton, Va. Foto per gentile concessione della NASA/Able Engineering Quasi 400 anni fa, poiché gran parte dell'Europa era ancora coinvolta nell'esplorazione navale del mondo, Johannes Keplero propose l'idea di esplorare la galassia usando le vele. Attraverso la sua osservazione che le code delle comete venivano mosse da una sorta di brezza solare, credeva che le vele potessero catturare quel vento per spingere le astronavi nello stesso modo in cui i venti spostavano le navi sugli oceani. Mentre l'idea di Keplero di un vento solare è stata smentita, da allora gli scienziati hanno scoperto che la luce solare esercita una forza sufficiente per spostare gli oggetti. Per sfruttare questa forza, La NASA ha sperimentato vele solari giganti che potrebbero essere spinte attraverso il cosmo dalla luce.
Ci sono tre componenti in un veicolo spaziale a vela solare:
Una navicella spaziale a vela solare non ha bisogno del propellente tradizionale per l'energia, perché il suo propellente è la luce del sole e il sole è il suo motore. La luce è composta da radiazioni elettromagnetiche che esercitano una forza sugli oggetti con cui entra in contatto. I ricercatori della NASA hanno scoperto che a 1 unità astronomica (AU), che è la distanza dal sole alla Terra, pari a 93 milioni di miglia (150 milioni di km), la luce del sole può produrre circa 1,4 kilowatt (kw) di potenza. Se prendi 1,4 kw e lo dividi per la velocità della luce, scopriresti che la forza esercitata dal sole è di circa 9 newton (N)/miglio quadrato (cioè, 2 libbre/km 2 o 0,78 libbre/mi 2 ). In confronto, un motore principale di una navetta spaziale può produrre 1,67 milioni di N di forza durante il decollo e 2,1 milioni di N di spinta nel vuoto. Infine, però, la forza continua della luce solare su una vela solare potrebbe spingere un veicolo spaziale a velocità cinque volte superiori rispetto ai razzi tradizionali.
Ora, diamo un'occhiata più da vicino a quelle vele.
Distribuzione e lancioIl team di propulsione a vela solare della NASA e partner industriale, Able Engineering ha implementato con successo il proprio sistema di vele solari presso il Langley Research Center durante un periodo di test di cinque settimane da aprile a maggio 2004. Quindi, nel luglio 2004, Il team di propulsione a vela solare della NASA e partner industriale, L'Garde, Inc., ha visto anche l'implementazione con successo del loro sistema di vele solari presso il Glenn Research Center.
Nell'agosto del 2004, due grandi vele solari sono state lanciate e dispiegate nello spazio dall'Agenzia di esplorazione aerospaziale giapponese.
Per saperne di più
Un sistema di vele solari a quattro quadranti creato dal team di propulsione a vela solare della NASA presso il Marshall Space Flight Center di Huntsville, Ala., e il suo partner industriale, L'Orto, Inc. si trova completamente dispiegato in una camera a vuoto di 100 piedi di diametro presso il Glenn Research Center della NASA. Foto per gentile concessione della NASA/L'Garde Mentre le vele solari sono state progettate in precedenza (la NASA aveva un programma di vele solari negli anni '70), i materiali disponibili fino all'ultimo decennio o giù di lì erano troppo pesanti per progettare un pratico veicolo a vela solare. Oltre ad essere leggero, il materiale deve essere altamente riflettente e in grado di tollerare temperature estreme. Le vele giganti testate oggi dalla NASA sono realizzate in materiale molto leggero, materiale riflettente che è fino a 100 volte più sottile di un normale foglio di cancelleria. Questo "alluminato, materiale resistente alla temperatura" è chiamato CP-1 . Un'altra organizzazione che sta sviluppando la tecnologia delle vele solari, la Planetary Society (un privato, gruppo no profit con sede a Pasadena, California), supporta il Cosmo 1 , che vanta vele solari realizzate in Mylar rinforzato con alluminio e sono circa un quarto dello spessore di un sacco della spazzatura di plastica a un velo.
La natura riflettente delle vele è fondamentale. Quando i fotoni (particelle di luce) rimbalzano sul materiale riflettente, spingono dolcemente la vela trasferendo slancio alla vela. Perché ci sono così tanti fotoni dalla luce solare, e poiché battono costantemente la vela, c'è una pressione costante (forza per unità di superficie) esercitata sulla vela che produce un'accelerazione costante del veicolo spaziale. Sebbene la forza su un veicolo spaziale a vela solare sia inferiore a quella di un razzo chimico convenzionale, come la navetta spaziale, la navicella a vela solare accelera costantemente nel tempo e raggiunge una velocità maggiore.
Ti starai chiedendo cosa succede quando la navicella spaziale si trova lontana dalla luce del sole. Un laser di bordo potrebbe subentrare fornendo la necessaria propulsione alle vele.
Energia solare - controllare. Vele solari - controlla. Ma come facciamo a portare le vele e la loro navicella nello spazio? Diamo un'occhiata.
Vuoi dei buchi nella vela?Les Johnson, del Marshall Space Flight Center, tiene un rigido, materiale leggero in fibra di carbonio che ha fatto riflettere molti scienziati della vela solare. Questa fibra si discostava dal materiale standard per le vele solari perché è circa 200 volte più spessa. Ma, migliaia di minuscoli fori gli consentono di pesare all'incirca quanto i materiali più sottili per vele solari testati.
Un quattro quadranti, Il sistema di vele solari di 20 metri è completamente dispiegato durante i test presso la struttura Plum Brook della NASA Glenn Research Center a Sandusky, Ohio. Foto per gentile concessione della NASA Con solo la luce del sole come potere, una vela solare non verrebbe mai lanciata direttamente da terra. Serve un secondo veicolo spaziale per lanciare la vela solare, che sarebbe poi dispiegato nello spazio. Un altro modo possibile per lanciare una vela solare sarebbe con microonde o raggi laser forniti da un satellite o da altri veicoli spaziali. Questi raggi di energia potrebbero essere diretti alla vela per lanciarla nello spazio e fornire una fonte di energia secondaria durante il suo viaggio. In un esperimento al Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, le vele sono state spinte al decollo utilizzando raggi a microonde, mentre i raggi laser venivano usati per spingere in avanti la vela.
Una volta lanciato, le vele vengono spiegate utilizzando un sistema di boma gonfiabile che viene attivato da un meccanismo di spiegamento integrato.
Cosmo 1
Cosmo 1, la navicella spaziale a vela solare della Planetary Society, sarà lanciato da un sottomarino russo sommerso nel Mare di Barents. Una volta lanciato, il Cosmos 1 da 220,5 libbre (100 kg) riceverà una spinta da un "motore a pedale" - mettendolo in orbita a circa 550 miglia (885 km) sopra la Terra.
Le vele solari stabiliranno nuovi record di velocità per i veicoli spaziali e ci consentiranno di viaggiare oltre il nostro sistema solare. La tecnologia della vela solare alla fine giocherà un ruolo chiave nelle missioni della NASA a lunga distanza. Ma fino a che punto queste vele solari saranno in grado di portarci e quanto velocemente ci porteranno lì?
Come abbiamo scoperto nell'ultima sezione, le vele solari non sarebbero inizialmente guidate dalla quantità di forza utilizzata per lanciare lo space shuttle. La NASA ritiene che l'esplorazione dello spazio sia simile al racconto della "Tartaruga e la lepre, " con la navicella spaziale a propulsione a razzo che è la lepre. In questa gara, la navicella spaziale a propulsione a razzo salterà fuori rapidamente, muovendosi rapidamente verso la sua destinazione. D'altra parte, una navicella spaziale senza razzo alimentata da una vela solare inizierebbe il suo viaggio a un ritmo lento ma costante, prendendo gradualmente velocità mentre il sole continua a esercitare forza su di esso. Presto o tardi, non importa quanto veloce vada, il razzo si esaurirà. In contrasto, l'imbarcazione a vela solare ha una fornitura infinita di energia dal sole. Inoltre, la vela solare potrebbe potenzialmente tornare sulla Terra, mentre il veicolo a razzo non avrebbe alcun propellente per riportarlo indietro.
Mentre continua ad essere spinto dalla luce del sole, il veicolo a vela solare aumenterà velocità che i veicoli a propulsione a razzo non sarebbero mai in grado di raggiungere. Un tale veicolo alla fine viaggerebbe a circa 56 mi/sec (90 km/sec), che sarebbe più di 200, 000 miglia orarie (324, 000 km/h). Quella velocità è circa 10 volte più veloce della velocità orbitale della navetta spaziale di 5 mi/sec (8 km/sec). Per darti un'idea di quanto sia veloce, potresti viaggiare da New York a Los Angeles in meno di un minuto con un veicolo a vela solare che viaggia alla massima velocità.
Se la NASA lanciasse una sonda interstellare alimentata da vele solari, ci vorrebbero solo otto anni per catturare la navicella spaziale Voyager 1 (la navicella spaziale più lontana dalla Terra), che viaggia da più di 20 anni. Aggiungendo un trasmettitore laser o magnetico, La NASA ha detto che potrebbe spingere la velocità a 18, 600 miglia/sec (30, 000 km/sec), che è un decimo della velocità della luce. A quelle velocità, il viaggio interstellare sarebbe quasi una certezza.
