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LightSail 2 sigue navegando con energía solar, pero cada vez es más bajo con cada órbita

LightSail 2 sigue navegando con energía solar, pero cada vez es más bajo con cada órbita

LightSail 2 desplegó su vela solar hace cinco meses, y todavía está orbitando la Tierra. Es una demostración exitosa del potencial de la nave espacial de vela solar. Ahora, el equipo LightSail 2 de The Planetary Society ha publicado un documento que describe sus hallazgos de la misión hasta el momento.

El concepto de vela solar ha existido durante un tiempo, de hecho, desde Johannes Kepler, de hecho. En 1607, el cometa Halley pasó por encima y Kepler notó cómo la cola del cometa se alejaba del Sol. Pensó, correctamente, como resultado, que la luz solar era la responsable. En una carta a Galileo que es famosa en los círculos de astronomía, Kepler dijo: "Proporcione barcos o velas adaptadas a la brisa celestial, y habrá algunos que desafiarán incluso ese vacío". Muy bien.

Por supuesto, no había forma de que Kepler supiera lo correcto que era. Pero ahora, gracias a The Planetary Society y otros, lo hacemos.

La Sociedad Planetaria es pionera en el campo de la navegación solar. LightSail 2 es en realidad su tercera nave espacial de vela solar, siguiendo los pasos de LightSail 1, y su precursor original, el Cosmos 1, que no alcanzó la órbita cuando falló su cohete de lanzamiento. Una tercera nave espacial de vela solar, llamada LightSail 3, alcanzará el punto de libración Sol-Tierra L1 si todo va bien.

Como una de las primeras naves espaciales de vela solar, LightSail 2 nos está enseñando lecciones valiosas sobre el potencial y las limitaciones de la navegación solar. El 10 de enero, la Sociedad Planetaria publicó un documento que describe algunas de esas lecciones. El documento se titula "Rendimiento de órbita y actitud de la nave espacial LightSail 2 Solar Sail".

LightSail 2 capturó esta imagen del Golfo de Omán y el Golfo Pérsico el 14 de diciembre de 2019. La vela parece ligeramente curvada debido a la lente de cámara de ojo de pez de 185 grados de la nave espacial. Se corrigió el color de la imagen y se eliminó parte de la distorsión. Crédito de la imagen: la sociedad planetaria

LightSail 2 sucumbe lentamente al arrastrar y se acerca a la Tierra. Cuando se desplegó, el modelado orbital predijo que caería a la Tierra aproximadamente un año después de que se desplegaran sus velas. Pero la nave espacial está en una órbita terrestre alta a unos 720 km (447 millas), mucho más alta que otros satélites y naves espaciales como la Estación Espacial Internacional, que orbita a 400 km (249 millas).

Hay relativamente pocos datos sobre la densidad atmosférica a esa altitud y sobre la disminución de la órbita resultante, por lo que la predicción de un año no fue precisa. Pero gracias a LightSail 2, ahora sabemos que el arrastre atmosférico a esa altitud es lo suficientemente fuerte como para arrastrar LightSail 2 hacia la Tierra. Una de las razones es que la nave espacial no siempre es la navegación solar.

Durante cada órbita de 100 minutos, LightSail 2 pasa solo unos 28 minutos capturando fotones solares, y esa es la única vez que puede cambiar su trayectoria. El resto del tiempo se gasta en eclipse, moviéndose directamente hacia el Sol o ajustando su orientación. Esos 28 minutos de tiempo de navegación real no son suficientes para contrarrestar completamente la resistencia atmosférica.

Esa es solo una de las cosas que la Sociedad Planetaria ha aprendido de su proyecto LightSail 2. Pero dentro de esas órbitas, hay otras variables.

El equipo comparó el rendimiento de LightSail 2 cuando estaba orientado aleatoriamente cuando estaba orientado activamente para la navegación solar. Descubrieron que cuando la nave espacial estaba orientada al azar, el eje semi mayor de su órbita disminuía en 34.5 metros por día. Cuando estaba orientado activamente, la misma medida se redujo solo 19.9 metros por día. Pero hay mucha variación en su órbita, y a veces la pequeña nave espacial aumentó su órbita en 7,5 metros por día.

El video muestra una sola órbita para LightSail 2. Observe las líneas rojas y azules superpuestas en la nave espacial. La línea roja muestra la dirección del Sol, y la línea azul es la dirección del campo magnético local. Al acercarse al Sol, la nave espacial empluma sus velas, y cuando navega activamente, gira sus velas para atrapar los fotones del Sol. El ángulo del Sol a -z cambia de aproximadamente 90 grados a aproximadamente 0 grados.

En términos generales, la navegación solar no puede superar el arrastre atmosférico, pero para eso no están realmente diseñadas estas naves espaciales. Su potencial radica en el viaje interplanetario, libre de atmósferas y efectos de eclipse planetario. La nave espacial NEA Scout (Near Earth Asteroid Scout) de la NASA pasará dos años bajo propulsión de vela solar para alcanzar un asteroide, aunque recibirá un impulso inicial de propulsión de los propulsores de gas frío.

El apogeo y el perigeo de LightSail 2 han estado subiendo y bajando en bicicleta durante los cinco meses desde su despliegue. Inmediatamente después del despliegue, la nave espacial elevó su apogeo, convirtiéndose en la primera nave espacial de vela solar en hacerlo. Al mismo tiempo, el perigeo disminuyó. Experimentó una reversión de la tendencia a fines de octubre y una reversión en diciembre.

Este gráfico muestra el apogeo y perigeo en órbita de LightSail 2 según lo informado por space-track.org desde el 8 de julio de 2019. El despliegue de la vela se produjo el 23 de julio de 2019. Crédito de la imagen: The Planetary Society

Hay un par de razones por las cuales la órbita pasa por estos ciclos. En primer lugar, la Tierra es un esferoide achatado, no una esfera. Eso significa que su diámetro en el ecuador es aproximadamente 42 km (26 millas) más grande que en los polos. Eso hace que la nave espacial experimente precesión o tambaleo.

La segunda razón para los ciclos de apogeo / perigeo de LightSail 2 es el camino de la Tierra alrededor del Sol. Ese movimiento cambia el ángulo entre el Sol y las posiciones del apogeo y el perigeo de la nave espacial.

LightSail 2 es una gran nave espacial de demostración, pero tiene limitaciones. Uno de ellos es su rueda de impulso único. La nave espacial usa esa rueda para orientarse paralela o perpendicularmente a los rayos del Sol, dependiendo de si está despegando o navegando activamente. Inicialmente, el equipo de tierra hacía esto manualmente, lo que no era eficiente. Ahora han automatizado el proceso, y la nave espacial está funcionando mejor como resultado.

Pero a lo largo de ese proceso, el equipo aprendió una de sus valiosas lecciones. Los cambios frecuentes en la orientación de la vela imparten un impulso significativo a la nave espacial. Uno de los desafíos técnicos clave es gestionar ese impulso.

Otra lección involucra la energía solar. Las velas solares son estrictamente para la navegación solar. LightSail 2 tiene algunos paneles solares muy pequeños que satisfacen las escasas necesidades de energía de la nave espacial.

Su diseño inicial requería pequeños paneles solares a ambos lados de la nave, pero los paneles de un lado se quitaron para acomodar espejos especiales necesarios para encontrar el alcance del láser a su distancia exacta de la Tierra. Pero ahora que hay energía solar en un solo lado, a veces esos paneles están sombreados por las velas. Esto lleva a apagones. El equipo ha podido solucionar eso hasta cierto punto, administrando el uso de energía de la nave espacial y su modo de control de actitud. Pero es una buena lección para futuras naves espaciales de vela solar.

Las células solares en un lado de LightSail2. Lo brillante es un mini-DVD que contiene una lista de miembros de la Sociedad Planetaria, una lista de colaboradores de Kickstarter y nombres e imágenes de la campaña "Selfies to Space" de la Sociedad. Crédito de la imagen: Jason Davis / The Planetary Society

El equipo LightSail 2 también ha agregado otro modo a la nave espacial que llaman el modo de apuntar al Sol.

El modo de apuntar al Sol mantendrá la vela solar de la nave espacial mirando al Sol durante toda su órbita. Esto limitará la reorientación de la nave espacial para reducir el efecto de los frecuentes cambios de orientación que imparten un impulso problemático a la nave espacial por la rueda de impulso. También ayuda con la carga de la batería por las células solares, aunque no reducirá la descomposición orbital.

Esta imagen de la vela solar del LightSail 2 muestra el extremo sur de Madagascar. Crédito de la imagen: la sociedad planetariaEsta imagen de la vela solar del LightSail 2 muestra el extremo sur de Madagascar. Crédito de la imagen: la sociedad planetaria

El nuevo modo también ayudará con la precisión de puntería de la nave espacial y le dará una actitud de arranque más consistente para maniobras de empuje de encendido / apagado.

La Sociedad Planetaria tiene la intención de monitorear de cerca la desintegración orbital de la nave espacial para ver qué efecto tienen las velas mismas. Esto es en gran parte para otros equipos que estudian cómo se pueden utilizar las velas de arrastre para desorbitar la nave espacial a propósito.

También continuarán tomando fotos. La razón principal de las imágenes es controlar el estado de las velas, pero también son agradables para los ojos.

Puede obtener más información sobre LightSail 2 en el sitio web de The Planetary’s Society. Son una sociedad sin fines de lucro, por lo que puedes unirte si quieres ser parte de su misión. Es una excelente manera para que los ciudadanos contribuyan.

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