Veleros espaciales para cosechar energía del viento solar

Veleros espaciales para cosechar  energía del viento solar
Los curiosos de la astronomía suelen preguntarse cómo funcionan las velas solares, y aunque el sistema lleve en su nombre la palabra "vela", el viento no influye en lo absoluto.

El 'viento' es el flujo de gases a gran escala.

En la Tierra, el viento es el movimiento en masa del aire en la atmósfera. Günter D. Roth lo define como la compensación de las diferencias de presión atmosférica entre dos puntos.

En el espacio exterior, el viento solar es el movimiento de gases o partículas cargadas del Sol a través del espacio, mientras que el viento planetario es la desgasificación de elementos químicos ligeros de la atmósfera de un planeta hacia el espacio.

Los vientos se suelen clasificar según su dimensión espacial, la velocidad, los tipos de fuerza que los causan, las regiones donde se producen y sus efectos. Los vientos más fuertes observados en un planeta del sistema solar se producen en Neptuno y Saturno.

Mientras nos esforzamos por encontrar fuentes de energía alternativa, un número de investigadores continúa explorando lo que se considera lo último en energía renovable: el Sol. Sin embargo, en la Tierra, el crear paneles solares eficientes continúa siendo siendo un desafío.

Mientras que las celdas solares han aumentado su eficiencia, y mientras se hacen nuevos avances en tecnología solar sobre tierra, hay algunos que buscan cosechar energía solar un poco más cerca de la fuente mediante la captación de la energía del viento solar.

Y, a pesar de que nos referimos al viento solar como "viento", no proporcionaría energía de la manera en que vemos actuar a las turbinas de viento en tierra.

En lugar de eso, la energía proveniente del viento solar sería recolectada por una gigantesca vela solar desplegada en el espacio, entre el Sol y la Tierra.

Investigadores de la Universidad Estatal de Washington han publicado un artículo en el Periódico de Astrobiología Internacional en donde dicen que la energía de los vientos solares podrían remplazar las fuentes convencionales de energía renovable en la Tierra.

En el artículo los científicos teorizan que una vela gigante solar, diseñada para atrapar los vientos solares, podría generar mil millones de gigawatts de electricidad.

Si se llegara a construir, la llamada vela “Dyson-Harrop”, podría capturar energía solar suficiente para abastecer a la Tierra 100 mil millones de veces con más energía de la que necesita.

El gran problema es ver cómo llevar la energía del espacio a la tierra, y que la famosa vela tendría que ser de 8,400 kilómetros de ancho.

Un co-autor del artículo comenta: “Es sin duda increíble la cantidad de energía que podríamos producir con este método, aunque claro, el principio de funcionamiento es fácil, de manera práctica hay varios retos que superar”.

Una propuesta ha sido ofrecida por científicos de la Universidad Estatal de Washington. Discovery News informa sobre las especificaciones de una vela solar masiva y su potencial:

Según los cálculos del equipo, 300 metros de cable de cobre, atados a un receptor de 2 metros de ancho y una vela de 10 metros, generarían energía suficiente para 1.000 hogares.

Un satélite con un cable de 1.000 metros y una vela de 8.400 kilómetros de ancho, situada aproximadamente en la misma órbita, generaría 1018 de gigawatts de energía.

Veleros espaciales para cosechar  energía del viento solar
Crédito: plus.maths.org

El verdadero desafío es cómo enviar esta energía hacia la Tierra, con el fin de utilizarla en el planeta.

Una idea es usar un rayo láser concentrado para enviar la energía hacia la Tierra.

Desafortunadamente, habría millones de kilómetros entre el satélite y su objetivo terrestre, haciéndose difícil para el rayo láser alcanzar el planeta sin ensancharse y perder energía.

Aunque es probable que la vela solar pueda ser construida y desarrollada con tecnología actual, idear una forma de transmitir la energía obtenida del viento solar tomará un poco más de tiempo. Hasta entonces, tendremos que conformarnos con celdas solares en la superficie de nuestro planeta.

Teoría de Parker


Nadie aportó una buena razón del por qué debería existir esa "radiación de partículas", hasta que en 1958 Eugene Parker de la Universidad de Chicago, intentó deducir la estructura de equilibrio de la corona.

Se preveía que la corona, a grandes distancias, disminuiría hacia presión y densidad cero, pero Parker halló que la conducción de calor interfería con ese equilibrio, y en lugar de eso sugirió otra solución en la que las capas superiores de la corona fluían hacia fuera del Sol a una velocidad como la de "radiación corpuscular" de Biermann.

El flujo se llamó "viento solar", y su existencia fue confirmada posteriormente mediante instrumentos abordo de vehículos especiales.

El viento solar configura la magnetosfera terrestre y proporciona energía para sus muchos procesos. Su densidad en la órbita terrestre es de unos 6 iones por cm3 --mucho menor que el "mejor vacío" obtenido en laboratorio sobre la Tierra.

La distribución de iones en el viento solar se asemeja generalmente a la distribución de elementos en el Sol --mayoritariamente protones, con un 5% de helio y menores proporciones de oxígeno y otros elementos.

(También hay electrones, por supuesto, contrarrestando la carga positiva de los iones y manteniendo el plasma eléctricamente neutro).

Todo esto fluye del Sol con una velocidad media de 400 km/s y, tal y como mostró la sonda espacial Voyager 2, este flujo se extiende más allá de los planetas más alejados, más de 30 veces más distantes del Sol que la Tierra y probablemente continúe aún más allá.

Las velas solares son un sistema que está poco a poco tomando mayor popularidad en la comunidad científica del transporte espacial.

Al presentar una opción natural para el desplazamiento de una sonda o satélite, que ofrece el ahorro del gasto en combustibles, se ha convertido en uno de los principales campos de investigación de la NASA, y por ello ya existen algunas naves espaciales que cuentan con este sistema. Sin embargo, muchos se preguntan, ¿cómo funcionan las velas solares?

Aunque la solución no era la definitiva, si consiste en dar más seguridad a los satélites y la Estación Espacial Internacional quetransitan por la órbita de nuestro planeta. 

Veleros espaciales para cosechar  energía del viento solarSi bien se piensa que los láser sirven solamente para calentar objetos a corta distancia, al aplicarse una cantidad de energía suficiente y gracias a la falta de gravedad en el espacio, se pueden mover objetos como la basura espacial, gracias a que representa un flujo de luz y sus partículas en lugar de calentar el objeto, lo mueve. 

Lentamente, pero lo mueve, según las pruebas realizadas por los científicos.

Este, es el mismo caso que presenta el sistema de velas solares. A diferencia de lo que muchos podrían creer, que las sondas con velas solares se mueven bajo el efecto del llamado "viento solar" (que sí es el responsable de las auroras), no es así. Las velas solares son impulsadas gracias a presión que ejerce sobre ellas la radiación solar, o en otras palabras, la luz del Sol.

Es un concepto un poco confuso dado que se entiende que la luz no tiene masa, y por ende no debería poder "empujar" nada.

Aún así, la luz solar si posee algo que la mecánica llama "cantidad de movimiento", y cuando las velas solares reciben las partículas o fotones de la luz, esta cantidad de movimiento se traspasa a la nave espacial, y por ello se mueve. Así de sencillo.

Por supuesto, esto requiere que dichas velas estén fabricadas de materiales específicos.

En el caso de la nave Cosmo 1 de la NASA o la sonda IKAROS de Japón, la primera lanzada en el año 2005 y la segunda en el año 2010, sus velas están fabricadas de un material especial llamado Kapton que permite atrapar los fotones, incluso cuando tiene un grosor de apenas 5 micras (0.005 milímetros).

Para el año 2014 se espera que se lance la vela solar más grande del mundo, con el nombre de Sunjammer, en honor al autor Arthur C. Clarke, quien fue el primero en tratar el concepto de este sistema en sus libros de ciencia ficción hace casi 50 años.

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