Vela solar

Las velas solares (también conocidas como velas de luz , velas de luz y velas de fotones ) son un método de propulsión de naves espaciales que utiliza la presión de radiación ejercida por la luz solar sobre grandes superficies. Desde la década de 1980 se han propuesto varias misiones espaciales para probar la propulsión y la navegación solar. La primera nave espacial que utilizó esta tecnología fue IKAROS , lanzada en 2010.

Una analogía útil para la navegación solar puede ser un barco de vela; la luz que ejerce una fuerza sobre la gran superficie es similar a una vela que sopla el viento. Los rayos láser de alta energía podrían usarse como una fuente de luz alternativa para ejercer una fuerza mucho mayor que la que sería posible utilizando la luz solar, un concepto conocido como navegación por rayos. Las embarcaciones de vela solar ofrecen la posibilidad de operaciones de bajo costo combinadas con altas velocidades (en relación con los cohetes químicos ) y una larga vida útil. Dado que tienen pocas partes móviles y no utilizan propulsores, potencialmente pueden usarse numerosas veces para el lanzamiento de cargas útiles.

Las velas solares utilizan un fenómeno que tiene un efecto comprobado y medido sobre la astrodinámica . La presión solar afecta a todas las naves espaciales, ya sea en el espacio interplanetario o en órbita alrededor de un planeta o cuerpo pequeño. Una nave espacial típica que vaya a Marte, por ejemplo, se verá desplazada miles de kilómetros por la presión solar, por lo que los efectos deben tenerse en cuenta en la planificación de la trayectoria, lo que se ha hecho desde la época de las primeras naves espaciales interplanetarias de la década de 1960. La presión solar también afecta la orientación de una nave espacial, un factor que debe incluirse en el diseño de la nave espacial . ^[1]

La fuerza total ejercida sobre una vela solar de 800 por 800 metros (2600 por 2600 pies), por ejemplo, es de aproximadamente 5  N (1,1  lbf ) a la distancia de la Tierra al Sol, ^{[2] lo que lo convierte en un sistema} de propulsión de bajo empuje , similar a las naves espaciales propulsadas por motores eléctricos , pero como no utiliza propulsor, esa fuerza se ejerce casi constantemente y el efecto colectivo a lo largo del tiempo es lo suficientemente grande como para ser considerado una forma potencial de propulsar naves espaciales.

Johannes Kepler observó que las colas de los cometas apuntan en dirección opuesta al Sol y sugirió que el Sol causaba ese efecto. En una carta a Galileo en 1610, escribió: "Proporcionad barcos o velas adaptados a las brisas celestiales y habrá algunos que se atreverán incluso a desafiar ese vacío". ^[3] Es posible que tuviera en mente el fenómeno de las colas de los cometas cuando escribió esas palabras, aunque sus publicaciones sobre las colas de los cometas llegaron varios años después. ^[4]

James Clerk Maxwell , entre 1861 y 1864, publicó su teoría de los campos electromagnéticos y la radiación, que demuestra que la luz tiene momento y, por lo tanto, puede ejercer presión sobre los objetos. Las ecuaciones de Maxwell proporcionan la base teórica para navegar con presión ligera. Por lo tanto, en 1864, la comunidad de físicos y más allá sabía que la luz solar tenía un momento que ejercería presión sobre los objetos.

Julio Verne , en De la Tierra a la Luna , ^[5] publicado en 1865, escribió "algún día aparecerán velocidades mucho mayores que éstas [de los planetas y del proyectil], de las cuales la luz o la electricidad probablemente serán el agente mecánico... un día viajaremos a la Luna, a los planetas y a las estrellas". ^[6] Este es posiblemente el primer reconocimiento publicado de que la luz podría mover naves a través del espacio.

Pyotr Lebedev fue el primero en demostrar con éxito la presión ligera, lo que hizo en 1899 con una balanza torsional; ^[7] Ernest Nichols y Gordon Hull llevaron a cabo un experimento independiente similar en 1901 utilizando un radiómetro Nichols . ^[8]

En 1908, Svante Arrhenius predijo la posibilidad de que la presión de la radiación solar distribuyera esporas de vida a través de distancias interestelares, lo que proporcionó un medio para explicar el concepto de panspermia . Aparentemente, fue el primer científico en afirmar que la luz podía mover objetos entre estrellas. ^[9]

Konstantin Tsiolkovsky fue el primero en proponer el uso de la presión de la luz solar para propulsar naves espaciales a través del espacio y sugirió "utilizar enormes espejos de láminas muy delgadas para utilizar la presión de la luz solar para alcanzar velocidades cósmicas". ^[10]

Friedrich Zander (Tsander) publicó un artículo técnico en 1925 que incluía un análisis técnico de la navegación solar. Zander escribió sobre "aplicar pequeñas fuerzas" utilizando "una ligera presión o transmisión de energía luminosa a distancias por medio de espejos muy delgados". ^[11]

JBS Haldane especuló en 1927 sobre la invención de naves espaciales tubulares que llevarían a la humanidad al espacio y cómo "alas de lámina metálica de un kilómetro cuadrado o más de área se extienden para atrapar la presión de la radiación del Sol". ^[12]

En 1929, J. D. Bernal escribió: "Se podría desarrollar una forma de navegación espacial que utilizara el efecto repulsivo de los rayos del Sol en lugar del viento. Una nave espacial que extendiera al máximo sus grandes alas metálicas, de una extensión de unos 1000 metros, podría ser impulsada hasta el límite de la órbita de Neptuno. Luego, para aumentar su velocidad , viraría ceñida en dirección al campo gravitatorio, desplegando nuevamente las velas al pasar rápidamente por el Sol". ^[13]

Arthur C. Clarke escribió Sunjammer , un cuento de ciencia ficción publicado originalmente en la edición de marzo de 1964 de Boys' Life ^[14] que describe una carrera de yates entre naves espaciales con velas solares.

En la década de 1970, Carl Sagan popularizó la idea de navegar con luz utilizando una estructura gigante que reflejaría fotones en una dirección, creando impulso. Presentó sus ideas en conferencias universitarias, libros y programas de televisión. Estaba obsesionado con lanzar rápidamente esta nave espacial a tiempo para realizar un encuentro con el cometa Halley . Desafortunadamente, la misión no se llevó a cabo a tiempo y nunca viviría para verla finalmente completada. ^[15]

El primer esfuerzo formal de diseño y tecnología para una vela solar comenzó en 1976 en el Laboratorio de Propulsión a Chorro para una misión propuesta para encontrarse con el cometa Halley . ^[2]

La mayoría de las velas solares se basan en la reflexión . ^[16] La superficie de la vela es altamente reflectante, como un espejo , y la luz que se refleja en la superficie imparte una fuerza.

En 2018, se propuso la difracción como un mecanismo de propulsión de velas solares diferente, que se afirma que tiene varias ventajas. ^{[17] [18]}

Pekka Janhunen , del FMI, ha propuesto un tipo de vela solar llamada vela solar eléctrica ^[19] . Mecánicamente, tiene poco en común con el diseño tradicional de vela solar. Las velas se sustituyen por cables conductores enderezados colocados radialmente alrededor de la nave anfitriona. Los cables se cargan eléctricamente para crear un campo eléctrico alrededor de ellos. El campo eléctrico se extiende unas pocas decenas de metros dentro del plasma del viento solar circundante. Los electrones solares se reflejan en el campo eléctrico (como los fotones en una vela solar tradicional). El radio de la vela proviene del campo eléctrico en lugar del cable en sí, lo que hace que la vela sea más ligera. La embarcación también se puede dirigir regulando la carga eléctrica de los cables. Una vela eléctrica práctica tendría entre 50 y 100 cables enderezados con una longitud de unos 20 km cada uno ^{[20] .}

Las velas eólicas solares eléctricas pueden ajustar sus campos electrostáticos y la actitud de las velas.

Una vela magnética también aprovecharía el viento solar, pero el campo magnético desvía las partículas cargadas eléctricamente del viento. Para ello, utiliza bucles de alambre y hace pasar una corriente estática a través de ellos en lugar de aplicar un voltaje estático. ^[21]

Todos estos diseños maniobran, aunque los mecanismos son diferentes.

Las velas magnéticas desvían la trayectoria de los protones cargados que se encuentran en el viento solar . Al cambiar la orientación de las velas y el tamaño de los campos magnéticos, pueden cambiar la cantidad y la dirección del empuje.

La fuerza que se transmite a una vela solar surge del momento de los fotones. El momento de un fotón o de un flujo completo se da mediante la relación de Einstein : ^{[22] [23]}

${\displaystyle p=E/c}$

donde p es el momento, E es la energía (del fotón o flujo) y c es la velocidad de la luz . En concreto, el momento de un fotón depende de su longitud de onda p = h/λ

La presión de la radiación solar se puede relacionar con el valor de la irradiancia ( constante solar ) de 1361 W/m ² a 1  UA (distancia Tierra-Sol), según lo revisado en 2011: ^[24]

• Absorbancia perfecta: F = 4,54 μN por metro cuadrado (4,54 μ Pa ) en la dirección del haz incidente (una colisión perfectamente inelástica )
• Reflectancia perfecta: F = 9,08 μN por metro cuadrado (9,08 μPa) en la dirección normal a la superficie (una colisión elástica )

Una vela ideal es plana y tiene un 100 % de reflexión especular . Una vela real tendrá una eficiencia general de aproximadamente el 90 %, aproximadamente 8,17 μN/m ² , ^[23] debido a la curvatura (ondulación), las arrugas, la absorbancia, la re-radiación desde el frente y la parte posterior, los efectos no especulares y otros factores.

La fuerza sobre una vela y la aceleración real de la embarcación varían por el cuadrado inverso de la distancia desde el Sol (a menos que esté extremadamente cerca del Sol ^[25] ), y por el cuadrado del coseno del ángulo entre el vector de fuerza de la vela y el radial desde el Sol, por lo que

${\displaystyle F=F_{0}\cos ^{2}(\theta )/R^{2}}$(para una vela ideal)

donde R es la distancia al Sol en UA. Una vela cuadrada real se puede modelar como:

${\displaystyle F=F_{0}(0,349+0,662\cos(2\theta )-0,011\cos(4\theta ))/R^{2}}$

Obsérvese que la fuerza y ​​la aceleración se aproximan a cero generalmente alrededor de θ = 60° en lugar de 90° como se podría esperar con una vela ideal. ^[26]

Si se absorbe parte de la energía, ésta calentará la vela, que vuelve a irradiar esa energía desde las superficies delantera y trasera, dependiendo de la emisividad de esas dos superficies.

El viento solar , el flujo de partículas cargadas expulsadas desde el Sol, ejerce una presión dinámica nominal de aproximadamente 3 a 4 nPa , tres órdenes de magnitud menos que la presión de la radiación solar sobre una vela reflectante. ^[27]

La carga de la vela (densidad superficial) es un parámetro importante, que es la masa total dividida por el área de la vela, expresada en g/m ² . Se representa con la letra griega σ (sigma).

Una embarcación a vela tiene una aceleración característica, a _c , que experimentaría a 1 UA cuando se encuentra de cara al Sol. Nótese que este valor tiene en cuenta tanto el momento incidente como el reflejado. Utilizando el valor anterior de 9,08 μN por metro cuadrado de presión de radiación a 1 UA, a _c está relacionada con la densidad de área mediante:

a _c = 9,08(eficiencia) / σ mm/s ²

Suponiendo una eficiencia del 90%, a _c = 8,17 / σ mm/s ²

El número de ligereza, λ, es la relación adimensional entre la aceleración máxima del vehículo dividida por la gravedad local del Sol. Utilizando los valores a 1 UA:

λ = a _c / 5,93

El número de luminosidad también es independiente de la distancia al Sol porque tanto la gravedad como la presión de la luz disminuyen como el cuadrado inverso de la distancia al Sol. Por lo tanto, este número define los tipos de maniobras orbitales que son posibles para una nave determinada.

La tabla presenta algunos valores de ejemplo. No se incluyen las cargas útiles. Los dos primeros son del trabajo de diseño detallado del JPL en la década de 1970. El tercero, el velero de celosía, podría representar aproximadamente el mejor nivel de rendimiento posible. ^[2] Las dimensiones de las velas cuadradas y de celosía son los bordes. La dimensión del heliogiro es de punta de pala a punta de pala.

Un sistema de control de actitud activo (ACS) es esencial para que una embarcación a vela alcance y mantenga una orientación deseada. La orientación requerida de las velas cambia lentamente (a menudo menos de 1 grado por día) en el espacio interplanetario, pero mucho más rápidamente en una órbita planetaria. El ACS debe ser capaz de cumplir con estos requisitos de orientación. El control de actitud se logra mediante un cambio relativo entre el centro de presión de la embarcación y su centro de masa . Esto se puede lograr con álabes de control, movimiento de velas individuales, movimiento de una masa de control o alterando la reflectividad.

Mantener una actitud constante requiere que el ACS mantenga un par neto de cero sobre la embarcación. La fuerza y ​​el par totales sobre una vela, o un conjunto de velas, no son constantes a lo largo de una trayectoria. La fuerza cambia con la distancia solar y el ángulo de la vela, lo que cambia la ondulación de la vela y desvía algunos elementos de la estructura de soporte, lo que da como resultado cambios en la fuerza y ​​el par de la vela.

La temperatura de la vela también cambia con la distancia solar y el ángulo de la vela, lo que modifica las dimensiones de la misma. El calor radiante de la vela cambia la temperatura de la estructura de soporte. Ambos factores afectan la fuerza total y el par motor.

Para mantener la actitud deseada, el ACS debe compensar todos estos cambios. ^[28]

En la órbita terrestre, la presión solar y la presión de arrastre suelen ser iguales a una altitud de unos 800 km, lo que significa que un velero tendría que operar por encima de esa altitud. Los veleros deben operar en órbitas en las que sus velocidades de giro sean compatibles con las órbitas, lo que generalmente solo es una preocupación para las configuraciones de disco giratorio.

Las temperaturas de funcionamiento de las velas son una función de la distancia solar, el ángulo de la vela, la reflectividad y las emisividades frontal y posterior. Una vela puede utilizarse únicamente cuando su temperatura se mantenga dentro de los límites de su material. Por lo general, una vela puede utilizarse bastante cerca del Sol, alrededor de 0,25 UA, o incluso más cerca si se diseña cuidadosamente para esas condiciones. ^[2]

Las aplicaciones potenciales de las embarcaciones a vela se extienden por todo el Sistema Solar , desde las cercanías del Sol hasta las nubes de cometas más allá de Neptuno. Las embarcaciones pueden realizar viajes de ida para entregar cargas o para establecerse en el destino. Pueden utilizarse para transportar cargas y posiblemente también para viajes humanos. ^[2]

En el caso de los viajes dentro del Sistema Solar interior, pueden entregar cargas útiles y luego regresar a la Tierra para viajes posteriores, operando como un transbordador interplanetario. En el caso de Marte en particular, la nave podría proporcionar medios económicos para abastecer rutinariamente las operaciones en el planeta. Según Jerome Wright, "el costo de lanzar los propulsores convencionales necesarios desde la Tierra es enorme para las misiones tripuladas. El uso de barcos de vela podría potencialmente ahorrar más de 10 mil millones de dólares en costos de misión". ^[2]

Las naves con velas solares pueden acercarse al Sol para entregar cargas útiles de observación o para adoptar órbitas de mantenimiento de posición. Pueden operar a 0,25 UA o menos. Pueden alcanzar inclinaciones orbitales elevadas, incluidas las polares.

Las velas solares pueden viajar hacia y desde todos los planetas interiores. Los viajes a Mercurio y Venus son para el encuentro y la entrada en órbita de la carga útil. Los viajes a Marte podrían ser para el encuentro o para pasar por encima de la superficie con la carga útil liberada para el frenado aerodinámico . ^[2]

Los tiempos de transferencia a los planetas exteriores se reducen al mínimo si se utiliza una transferencia indirecta (sobrevuelo solar). Sin embargo, este método da como resultado velocidades de llegada altas. Las transferencias más lentas tienen velocidades de llegada más bajas.

El tiempo mínimo de traslado a Júpiter para una _c de 1 mm/s2 ^sin velocidad de salida con respecto a la Tierra es de 2 años si se utiliza una transferencia indirecta (paseo solar). La velocidad de llegada ( V _∞ ) es cercana a los 17 km/s. Para Saturno, el tiempo mínimo de viaje es de 3,3 años, con una velocidad de llegada de casi 19 km/s. ^[2]

El punto focal gravitacional interno del Sol se encuentra a una distancia mínima de 550 UA del Sol, y es el punto en el que la luz de los objetos distantes se enfoca por la gravedad como resultado de su paso por el Sol. Este es, por lo tanto, el punto distante en el que la gravedad solar hará que se enfoque la región del espacio profundo al otro lado del Sol, sirviendo así efectivamente como un objetivo de telescopio muy grande. ^{[29] [30]}

Se ha propuesto que una vela inflada, hecha de berilio , que comienza a 0,05 UA del Sol ganaría una aceleración inicial de 36,4 m/s2 ^, y alcanzaría una velocidad de 0,00264c (unos 950 km/s) en menos de un día. Tal proximidad al Sol podría resultar poco práctica a corto plazo debido a la degradación estructural del berilio a altas temperaturas, la difusión del hidrógeno a altas temperaturas, así como un gradiente electrostático, generado por la ionización del berilio del viento solar, lo que plantea un riesgo de explosión. Un perihelio revisado de 0,1 UA reduciría la temperatura antes mencionada y la exposición al flujo solar. ^[31] Una vela de este tipo tardaría "dos años y medio en alcanzar la heliopausa , seis años y medio en alcanzar el foco gravitatorio interior del Sol , y llegaría a la Nube de Oort interior en no más de treinta años". ^[30] "Una misión de este tipo podría realizar observaciones astrofísicas útiles en ruta, explorar técnicas de enfoque gravitacional y obtener imágenes de objetos de la Nube de Oort mientras explora partículas y campos en esa región que son de origen galáctico en lugar de solar".

Robert L. Forward ha comentado que una vela solar podría utilizarse para modificar la órbita de un satélite alrededor de la Tierra. En el límite, una vela podría utilizarse para "flotar" un satélite sobre un polo de la Tierra. Las naves espaciales equipadas con velas solares también podrían colocarse en órbitas cercanas de modo que permanezcan estacionarias con respecto al Sol o a la Tierra, un tipo de satélite que Forward llama " statite ". Esto es posible porque la propulsión proporcionada por la vela compensa la atracción gravitatoria del Sol. Una órbita de este tipo podría ser útil para estudiar las propiedades del Sol durante largos períodos. ^[32] Del mismo modo, una nave espacial equipada con velas solares también podría permanecer en posición casi por encima del terminador solar polar de un planeta como la Tierra inclinando la vela en el ángulo adecuado necesario para contrarrestar la gravedad del planeta. ^[32]

En su libro The Case for Mars (El caso de Marte) , Robert Zubrin señala que la luz solar reflejada desde una gran estatina, situada cerca del extremo polar del planeta Marte, podría enfocarse en uno de los casquetes polares marcianos y calentar significativamente la atmósfera del planeta. Una estatina de este tipo podría estar hecha de material de asteroide.

Se ha propuesto un grupo de satélites diseñados para actuar como velas para medir el desequilibrio energético de la Tierra , que es la medida más fundamental de la tasa de calentamiento global del planeta. Los acelerómetros de última generación a bordo medirían los cambios en el diferencial de presión entre la radiación solar entrante y la radiación térmica saliente en lados opuestos de cada satélite. Se ha proyectado que la precisión de la medición será mejor que la que se puede lograr con detectores radiométricos compactos. ^[33]

La sonda MESSENGER , que orbitaba Mercurio, utilizó una ligera presión sobre sus paneles solares para realizar correcciones precisas de la trayectoria en su camino hacia Mercurio. ^[34] Al cambiar el ángulo de los paneles solares en relación con el Sol, se varió la cantidad de presión de la radiación solar para ajustar la trayectoria de la nave espacial con más delicadeza que con los propulsores. Los errores menores se amplifican en gran medida con las maniobras de asistencia gravitatoria , por lo que el uso de la presión de la radiación para realizar correcciones muy pequeñas permitió ahorrar grandes cantidades de combustible.

En la década de 1970, Robert Forward propuso dos esquemas de propulsión alimentados por rayos que utilizaban láseres o máseres para impulsar velas gigantes a una fracción significativa de la velocidad de la luz . ^[35]

En la novela de ciencia ficción Rocheworld , Forward describió una vela ligera impulsada por superláseres. A medida que la nave espacial se acercaba a su destino, la parte exterior de la vela se desprendía. La vela exterior se reorientaba y reflejaba los láseres hacia una vela interior más pequeña. Esto proporcionaría el empuje de frenado necesario para detener la nave en el sistema estelar de destino.

Ambos métodos plantean enormes desafíos de ingeniería. Los láseres tendrían que funcionar durante años de forma continua con una potencia de gigavatios . La solución de Forward requiere la construcción de enormes paneles solares en el planeta Mercurio o cerca de él. Sería necesario colocar un espejo o lente de Fresnel del tamaño de un planeta a varias docenas de unidades astronómicas del Sol para mantener los láseres enfocados en la vela. La gigantesca vela de frenado tendría que actuar como un espejo de precisión para enfocar el haz de frenado sobre la vela de "desaceleración" interior.

Un enfoque potencialmente más sencillo sería utilizar un máser para impulsar una "vela solar" compuesta por una malla de cables con el mismo espaciamiento que la longitud de onda de las microondas dirigidas a la vela, ya que la manipulación de la radiación de microondas es algo más fácil que la manipulación de la luz visible. El diseño hipotético de la sonda interestelar " Starwisp " ^{[36] [37]} utilizaría microondas, en lugar de luz visible, para impulsarla. Los máseres se propagan más rápidamente que los láseres ópticos debido a su mayor longitud de onda, y por lo tanto no tendrían un alcance efectivo tan grande.

Los máseres también podrían utilizarse para alimentar una vela solar pintada, una vela convencional recubierta con una capa de productos químicos diseñados para evaporarse cuando son golpeados por la radiación de microondas. ^[38] El impulso generado por esta evaporación podría aumentar significativamente el empuje generado por las velas solares, como una forma de propulsión láser ablativa ligera .

Para enfocar aún más la energía en una vela solar distante, Forward propuso una lente diseñada como una placa de zona grande . Esta se colocaría en un lugar entre el láser o máser y la nave espacial. ^[35]

Otro enfoque más realista desde el punto de vista físico sería utilizar la luz del Sol para acelerar la nave espacial. ^[39] La nave primero entraría en una órbita que pasaría cerca del Sol, para maximizar la entrada de energía solar en la vela, luego comenzaría a acelerar alejándose del sistema utilizando la luz del Sol. La aceleración caería aproximadamente como el cuadrado inverso de la distancia al Sol, y más allá de cierta distancia, la nave ya no recibiría suficiente luz para acelerarla significativamente, pero mantendría la velocidad final alcanzada. Al acercarse a la estrella objetivo, la nave podría girar sus velas hacia ella y comenzar a utilizar la presión exterior de la estrella de destino para desacelerar. Los cohetes podrían aumentar el empuje solar.

Se han sugerido lanzamientos y capturas similares de velas solares para la panspermia dirigida con el fin de expandir la vida en otros sistemas solares. Se podrían obtener velocidades del 0,05 % de la velocidad de la luz mediante velas solares que transportaran cargas útiles de 10 kg, utilizando vehículos de velas solares delgadas con densidades de área efectivas de 0,1 g/m2 ^con velas delgadas de 0,1  μm de espesor y tamaños del orden de un kilómetro cuadrado. Alternativamente, se podrían lanzar enjambres de cápsulas de 1 mm en velas solares con radios de 42 cm, cada una de las cuales transportaría 10 000 cápsulas de cien millones de microorganismos extremófilos para sembrar vida en diversos entornos objetivo. ^{[40] [41]}

Los estudios teóricos sugieren velocidades relativistas si la vela solar aprovecha una supernova. ^[42]

Se han propuesto pequeñas velas solares para acelerar la desorbitación de pequeños satélites artificiales de las órbitas terrestres. Los satélites en órbita terrestre baja pueden utilizar una combinación de presión solar en la vela y mayor resistencia atmosférica para acelerar la reentrada del satélite . ^[43] Una vela de desorbitación desarrollada en la Universidad de Cranfield es parte del satélite británico TechDemoSat-1, lanzado en 2014. La vela se desplegó al final de la vida útil de cinco años del satélite en mayo de 2019. ^[44] El propósito de la vela es sacar el satélite de la órbita en un período de aproximadamente 25 años. ^[45] En julio de 2015, el CubeSat británico 3U llamado DeorbitSail fue lanzado al espacio con el propósito de probar una estructura de desorbitación de 16 m ² , ^[46] pero finalmente no logró desplegarlo. ^[47] Una misión estudiantil CubeSat 2U llamada PW-Sat2 , lanzada en diciembre de 2018 y probó una vela de desorbitación de 4 m ² . En febrero de 2021, salió de órbita con éxito. ^{[48] En junio de 2017, un segundo} CubeSat británico de 3U llamado InflateSail desplegó una vela de desorbitación de 10 m2 ^a una altitud de 500 kilómetros (310 millas). ^[49] En junio de 2017, el Cubesat 3U URSAMAIOR se lanzó a la órbita terrestre baja para probar el sistema de desorbitación ARTICA desarrollado por Spacemind. ^[50] El dispositivo, que ocupa solo 0,4 U del cubesat, desplegará una vela de 2,1 m2 ^para desorbitar el satélite al final de su vida operativa. ^[51]

IKAROS , lanzado en 2010, fue el primer vehículo de vela solar práctico. En 2015, todavía estaba en pleno desarrollo, lo que demuestra la practicidad de una vela solar para misiones de larga duración. ^[52] Se despliega por rotación, con masas en las puntas en las esquinas de su vela cuadrada. La vela está hecha de una fina película de poliimida , recubierta de aluminio evaporado. Se dirige con paneles de cristal líquido controlados eléctricamente . La vela gira lentamente y estos paneles se encienden y apagan para controlar la actitud del vehículo. Cuando están encendidos, difunden la luz, reduciendo la transferencia de momento a esa parte de la vela. Cuando están apagados, la vela refleja más luz, transfiriendo más momento. De esa manera, giran la vela. ^[53] Las células solares de película fina también están integradas en la vela, que alimentan la nave espacial. El diseño es muy confiable, porque el despliegue por rotación, que es preferible para velas grandes, simplificó los mecanismos para desplegar la vela y los paneles LCD no tienen partes móviles.

Los paracaídas tienen una masa muy baja, pero no son una configuración viable para una vela solar. Los análisis muestran que una configuración de paracaídas colapsaría debido a las fuerzas ejercidas por las líneas de la cubierta, ya que la presión de radiación no se comporta como la presión aerodinámica y no actuaría para mantener abierto el paracaídas. ^[54]

Los diseños con la mayor relación empuje-masa para estructuras desplegables ensambladas en tierra son velas cuadradas con los mástiles y los cables tensores en el lado oscuro de la vela. Por lo general, hay cuatro mástiles que separan las esquinas de la vela y un mástil en el centro para sostener los cables tensores . Una de las mayores ventajas es que no hay puntos calientes en el aparejo por arrugas o bolsas, y la vela protege la estructura del sol. Por lo tanto, esta forma puede acercarse al sol para lograr el máximo empuje. La mayoría de los diseños gobiernan con pequeñas velas móviles en los extremos de los mástiles. ^[55]

En la década de 1970, el JPL estudió muchas velas de aro y palas giratorias para una misión destinada a encontrarse con el cometa Halley . La intención era reforzar las estructuras utilizando el momento angular, eliminando la necesidad de puntales y ahorrando masa. En todos los casos, se necesitaron cantidades sorprendentemente grandes de resistencia a la tracción para hacer frente a las cargas dinámicas. Las velas más débiles se ondularían u oscilarían cuando cambiara la actitud de la vela, y las oscilaciones se sumarían y causarían un fallo estructural. La diferencia en la relación empuje-masa entre los diseños prácticos era casi nula, y los diseños estáticos eran más fáciles de controlar. ^[55]

El diseño de referencia del JPL se denominó "heliogiro". Tenía palas de película de plástico desplegadas desde rodillos y sostenidas por fuerzas centrífugas mientras rotaba. La actitud y la dirección de la nave espacial se controlarían completamente cambiando el ángulo de las palas de varias maneras, de manera similar al paso cíclico y colectivo de un helicóptero . Aunque el diseño no tenía ninguna ventaja de masa sobre una vela cuadrada, seguía siendo atractivo porque el método de despliegue de la vela era más simple que un diseño basado en puntales. ^[55] El CubeSail (UltraSail) es un proyecto activo que apunta a desplegar una vela heliogiro.

El diseño de los heliogiros es similar al de las palas de un helicóptero. El diseño es más rápido de fabricar debido al refuerzo centrífugo ligero de las velas. Además, son muy eficientes en cuanto a costo y velocidad porque las palas son ligeras y largas. A diferencia de los diseños cuadrados y de disco giratorio, los heliogiros son más fáciles de desplegar porque las palas están compactadas en un carrete. Las palas se desenrollan cuando se despliegan después de la expulsión de la nave espacial. A medida que el heliogiro viaja por el espacio, el sistema gira debido a la aceleración centrífuga. Finalmente, las cargas útiles para los vuelos espaciales se colocan en el centro de gravedad para equilibrar la distribución del peso y garantizar un vuelo estable. ^[55]

El JPL también investigó las "velas en forma de anillo" (Spinning Disk Sail en el diagrama anterior), paneles unidos al borde de una nave espacial giratoria. Los paneles tendrían pequeños huecos, de aproximadamente uno a cinco por ciento del área total. Unas líneas conectarían el borde de una vela con la otra. Las masas en el medio de estas líneas tirarían de las velas para tensarlas contra la conicidad causada por la presión de la radiación. Los investigadores del JPL dijeron que este podría ser un diseño de vela atractivo para grandes estructuras tripuladas. El anillo interior, en particular, podría estar hecho para tener una gravedad artificial aproximadamente igual a la gravedad en la superficie de Marte. ^[55]

Una vela solar puede cumplir una doble función como antena de alta ganancia. ^[56] Los diseños difieren, pero la mayoría modifica el patrón de metalización para crear una lente o espejo monocromático holográfico en las frecuencias de radio de interés, incluida la luz visible. ^[56]

El material más común en los diseños actuales es una fina capa de aluminio sobre una lámina de polímero (plástico), como una película de Kapton aluminizada de 2 μm . El polímero proporciona soporte mecánico y flexibilidad, mientras que la fina capa de metal proporciona la reflectividad. Este material resiste el calor de un paso cercano al Sol y sigue siendo razonablemente fuerte. La película reflectante de aluminio está del lado del Sol. Las velas del Cosmos 1 estaban hechas de película de PET aluminizada ( Mylar ).

Eric Drexler desarrolló un concepto para una vela en la que se eliminó el polímero. ^[57] Propuso velas solares con una relación empuje-masa muy alta e hizo prototipos del material de la vela. Su vela utilizaría paneles de película delgada de aluminio (de 30 a 100 nanómetros de espesor) soportados por una estructura de tensión . La vela rotaría y tendría que estar continuamente bajo empuje. Hizo y manipuló muestras de la película en el laboratorio, pero el material era demasiado delicado para sobrevivir al plegado, lanzamiento y despliegue. El diseño planeaba depender de la producción espacial de los paneles de película, uniéndolos a una estructura de tensión desplegable. Las velas de esta clase ofrecerían una gran área por unidad de masa y, por lo tanto, aceleraciones hasta "cincuenta veces mayores" que los diseños basados ​​en películas de plástico desplegables. ^[57] El material desarrollado para la vela solar de Drexler era una película delgada de aluminio con un espesor base de 0,1 μm, que se fabricaría por deposición de vapor en un sistema espacial. Drexler utilizó un proceso similar para preparar películas en tierra. Como se esperaba, estas películas demostraron una resistencia y robustez adecuadas para su manipulación en el laboratorio y para su uso en el espacio, pero no para su plegado, lanzamiento y despliegue.

Las investigaciones de Geoffrey Landis en 1998-1999, financiadas por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA , demostraron que diversos materiales como la alúmina para velas de luz láser y la fibra de carbono para velas de luz impulsadas por microondas eran materiales para velas superiores a las películas de aluminio o Kapton, que antes eran estándar. ^[58]

En el año 2000, Energy Science Laboratories desarrolló un nuevo material de fibra de carbono que podría ser útil para las velas solares. ^{[59] [60]} El material es más de 200 veces más grueso que los diseños de velas solares convencionales, pero es tan poroso que tiene la misma masa. La rigidez y durabilidad de este material podrían hacer que las velas solares sean significativamente más resistentes que las películas de plástico. El material podría desplegarse por sí solo y debería soportar temperaturas más altas.

Se ha especulado teóricamente sobre el uso de técnicas de fabricación molecular para crear un material avanzado, resistente e hiperligero para velas, basado en tramas de malla de nanotubos , donde los "espacios" de la trama son menores que la mitad de la longitud de onda de la luz que incide sobre la vela. Si bien hasta ahora dichos materiales solo se han producido en condiciones de laboratorio y los medios para fabricar dicho material a escala industrial aún no están disponibles, dichos materiales podrían tener una masa inferior a 0,1 g/m2 ^{[ 61],} lo que los hace más livianos que cualquier material de vela actual por un factor de al menos 30. A modo de comparación, el material de vela Mylar de 5 micrómetros de espesor tiene una masa de 7 g/m2 ^, las películas de Kapton aluminizadas tienen una masa de hasta 12 g/m2 ^{[ 55]} y el nuevo material de fibra de carbono de Energy Science Laboratories tiene una masa de 3 g/m2 ^{[ 59]} .

El metal menos denso es el litio , aproximadamente 5 veces menos denso que el aluminio. Las superficies frescas, no oxidadas, son reflectantes. Con un espesor de 20 nm, el litio tiene una densidad de área de 0,011 g/m2 ^. Se podría hacer una vela de alto rendimiento solo con litio a 20 nm (sin capa de emisión). Tendría que fabricarse en el espacio y no usarse para acercarse al Sol. En el límite, se podría construir una embarcación de vela con una densidad de área total de alrededor de 0,02 g/m2 ^, lo que le da un número de ligereza de 67 y una _c de aproximadamente 400 mm/s2 ^. El magnesio y el berilio también son materiales potenciales para velas de alto rendimiento. Estos 3 metales se pueden alear entre sí y con aluminio. ^[2]

El aluminio es la opción más habitual para la capa de reflexión. Normalmente tiene un espesor de al menos 20 nm, con una reflectividad de 0,88 a 0,90. El cromo es una buena opción para la capa de emisión en la cara opuesta al sol. Puede proporcionar fácilmente valores de emisividad de 0,63 a 0,73 para espesores de 5 a 20 nm en películas de plástico. Los valores de emisividad utilizables son empíricos porque predominan los efectos de película delgada; los valores de emisividad en masa no se sostienen en estos casos porque el espesor del material es mucho más delgado que las longitudes de onda emitidas. ^[62]

Las velas se fabrican en la Tierra sobre largas mesas donde se desenrollan y unen cintas para crear las velas. El material de las velas debe tener el menor peso posible porque se necesitaría el transbordador para poner la nave en órbita. Por lo tanto, estas velas se empaquetan, se lanzan y se despliegan en el espacio. ^[63]

En el futuro, la fabricación podría realizarse en órbita dentro de grandes armazones que soporten la vela, lo que daría como resultado velas de menor masa y eliminaría el riesgo de fallas durante el despliegue.

Las operaciones de navegación son más sencillas en órbitas interplanetarias, donde los cambios de altitud se realizan a ritmos bajos. Para las trayectorias de ida, el vector de fuerza de la vela se orienta hacia delante de la línea del Sol, lo que aumenta la energía orbital y el momento angular, lo que hace que la embarcación se aleje del Sol. Para las trayectorias de vuelta, el vector de fuerza de la vela se orienta detrás de la línea del Sol, lo que disminuye la energía orbital y el momento angular, lo que hace que la embarcación se mueva hacia el Sol. Vale la pena señalar que solo la gravedad del Sol atrae la embarcación hacia el Sol; no hay nada análogo a la virada de un velero a barlovento. Para cambiar la inclinación orbital, el vector de fuerza se gira fuera del plano del vector de velocidad.

En órbitas alrededor de planetas u otros cuerpos, la vela está orientada de modo que su vector de fuerza tenga un componente a lo largo del vector de velocidad, ya sea en la dirección del movimiento para una espiral hacia afuera o contra la dirección del movimiento para una espiral hacia adentro.

Las optimizaciones de trayectoria pueden requerir a menudo intervalos de empuje reducido o nulo. Esto se puede lograr haciendo girar la nave alrededor de la línea del sol con la vela colocada en un ángulo apropiado para reducir o eliminar el empuje. ^[2]

Un paso cercano al Sol puede ser utilizado para aumentar la energía de una nave. La mayor presión de radiación se combina con la eficacia de estar en las profundidades del pozo de gravedad del Sol para aumentar sustancialmente la energía para los viajes al Sistema Solar exterior. La aproximación óptima al Sol se realiza aumentando la excentricidad orbital mientras se mantiene el nivel de energía tan alto como sea posible. La distancia mínima de aproximación es una función del ángulo de la vela, las propiedades térmicas de la vela y otras estructuras, los efectos de la carga en la estructura y las características ópticas de la vela (reflectividad y emisividad). Un paso cercano puede resultar en una degradación óptica sustancial. Las velocidades de giro requeridas pueden aumentar sustancialmente para un paso cercano. Una nave de vela que llega a una estrella puede utilizar un paso cercano para reducir la energía, lo que también se aplica a una nave de vela en un viaje de regreso desde el Sistema Solar exterior.

Un sobrevuelo lunar puede tener importantes beneficios para las trayectorias que parten de la Tierra o llegan a ella. Esto puede reducir los tiempos de viaje, especialmente en casos en que la vela está muy cargada. Un sobrevuelo lunar también puede utilizarse para obtener direcciones favorables de salida o llegada con respecto a la Tierra.

También se podría emplear un vuelo planetario similar a lo que se hace con las naves espaciales que se desplazan por inercia, pero es posible que no existan buenas alineaciones debido a los requisitos de optimización general de la trayectoria. ^[64]

La siguiente tabla enumera algunos conceptos de ejemplo que utilizan propulsión láser con haz según lo propuesto por el físico Robert L. Forward : ^[65]

• Asistencias sucesivas en α Cen A y B podrían permitir tiempos de viaje de hasta 75 años a ambas estrellas.
• Lightsail tiene una relación masa-superficie nominal (σ _nom ) de 8,6×10 ⁻⁴ gramo m ⁻² para una vela nominal de clase grafeno.
• Área de la vela de luz, aproximadamente 10 ⁵ m ² = (316 m) ²
• Velocidad hasta 37.300 km s ⁻¹ (12,5 % c)

. Referencia: ^[66]

Tanto la misión Mariner 10 , que sobrevoló los planetas Mercurio y Venus , como la misión MESSENGER a Mercurio demostraron el uso de la presión solar como método de control de actitud para conservar el combustible de control de actitud.

Hayabusa también utilizó la presión solar en sus paneles solares como método de control de actitud para compensar las ruedas de reacción rotas y el propulsor químico.

La vela solar del MTSAT-1R ( satélite de transporte multifuncional ) contrarresta el par producido por la presión de la luz solar sobre el panel solar. La aleta de compensación del panel solar realiza pequeños ajustes para equilibrar el par.

La NASA ha probado con éxito tecnologías de despliegue en velas a pequeña escala en cámaras de vacío. ^[67]

En 1999 se probó en tierra en el DLR/ESA de Colonia un despliegue a gran escala de una vela solar. ^[68]

Cosmos 1 , un proyecto privado conjunto entre Planetary Society , Cosmos Studios y la Academia Rusa de Ciencias, intentó lanzar un prototipo de vehículo suborbital en 2005, que fue destruido debido a una falla del cohete.

El 21 de febrero de 2006 se lanzó junto con ASTRO-F a bordo de un cohete MV una vela solar de 15 metros de diámetro (SSP, solar sail sub payload, soraseiru sabupeiro-do ) que llegó a la órbita. Se desplegó desde la etapa, pero no se abrió por completo. ^[69]

El 9 de agosto de 2004, el ISAS japonés desplegó con éxito dos prototipos de velas solares desde un cohete sonda. Una vela en forma de trébol se desplegó a 122 km de altitud y otra en forma de abanico se desplegó a 169 km de altitud. Ambas velas utilizaban una película de 7,5 micrómetros . El experimento solo probó los mecanismos de despliegue, no la propulsión. ^[70]

El 4 de febrero de 1993, el Znamya 2 , un reflector de mylar aluminizado de 20 metros de ancho, se desplegó con éxito desde la estación espacial rusa Mir . Fue el primer reflector de película fina de este tipo desplegado con éxito en el espacio utilizando el mecanismo basado en la fuerza centrífuga. ^[71] Aunque el despliegue tuvo éxito, no se demostró la propulsión. Una segunda prueba en 1999, Znamya 2.5 , no se desplegó correctamente.

El 21 de mayo de 2010, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) lanzó la primera nave espacial interplanetaria con vela solar , " IKAROS " (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) a Venus. ^[72] Utilizando un nuevo método de propulsión de fotones solares, ^[73] fue la primera nave espacial con vela solar verdaderamente impulsada completamente por la luz solar, ^{[74] [75]} y fue la primera nave espacial en tener éxito en el vuelo con vela solar. ^[76]

En 2010, la JAXA probó con éxito IKAROS. El objetivo era desplegar y controlar la vela y, por primera vez, determinar las pequeñas perturbaciones orbitales causadas por la presión de la luz. La determinación de la órbita fue realizada por la sonda AKATSUKI, que se encontraba cerca y de la que se desprendió IKAROS después de que ambas se hubieran colocado en una órbita de transferencia hacia Venus. El efecto total durante los seis meses de vuelo fue de 100 m/s. ^[77]

Hasta 2010, no se habían utilizado con éxito velas solares en el espacio como sistemas de propulsión primarios. El 21 de mayo de 2010, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) lanzó la nave espacial IKAROS, que desplegó una vela solar experimental de poliimida de 200 m2 el 10 de junio. ^{[ 78] [79] [80]} En julio, comenzó la siguiente fase para la demostración de la aceleración por radiación. El 9 de julio de 2010, se verificó que IKAROS recogía radiación del Sol y comenzaba la aceleración de fotones mediante la determinación de la órbita de IKAROS por rango y tasa de alcance (RARR), que se calculó recientemente además de los datos de la velocidad de aceleración de relativización de IKAROS entre IKAROS y la Tierra que se han tomado desde antes de que se utilizara el efecto Doppler. ^[81] Los datos mostraron que IKAROS parece haber estado navegando con energía solar desde el 3 de junio, cuando desplegó la vela.

IKAROS tiene una vela cuadrada giratoria diagonal de 14 × 14 m (196 m ^{2 ) hecha de una lámina de} poliimida de 7,5 micrómetros (0,0075 mm) de espesor . La lámina de poliimida tenía una masa de aproximadamente 10 gramos por metro cuadrado. Un panel solar de película delgada está incrustado en la vela. Ocho paneles LCD están incrustados en la vela, cuya reflectancia se puede ajustar para el control de actitud . ^{[82] [83]} IKAROS pasó seis meses viajando a Venus, y luego comenzó un viaje de tres años al otro lado del Sol. ^[84]

Un equipo del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA (Marshall), junto con un equipo del Centro de Investigación Ames de la NASA , desarrolló una misión de vela solar llamada NanoSail-D, que se perdió en un fallo de lanzamiento a bordo de un cohete Falcon 1 el 3 de agosto de 2008. ^{[85] [86]} La segunda versión de respaldo, NanoSail-D2 , también llamada a veces simplemente NanoSail-D, ^[87] se lanzó con FASTSAT en un Minotaur IV el 19 de noviembre de 2010, convirtiéndose en la primera vela solar de la NASA desplegada en órbita terrestre baja. Los objetivos de la misión eran probar tecnologías de despliegue de velas y recopilar datos sobre el uso de velas solares como un medio simple y "pasivo" de desorbitar satélites muertos y desechos espaciales. ^[88] La estructura de NanoSail-D estaba hecha de aluminio y plástico, y la nave espacial pesaba menos de 10 libras (4,5 kg). La vela tiene aproximadamente 100 pies cuadrados (9,3 m ² ) de superficie que atrapa la luz. Después de algunos problemas iniciales con el despliegue, se desplegó la vela solar y, a lo largo de su misión de 240 días, se informó que produjo una "gran cantidad de datos" sobre el uso de velas solares como dispositivos pasivos de desorbitación. ^[89]

La NASA lanzó la segunda unidad NanoSail-D almacenada dentro del satélite FASTSAT en el Minotaur IV el 19 de noviembre de 2010. La fecha de eyección del microsatélite FASTSAT estaba prevista para el 6 de diciembre de 2010, pero el despliegue recién se produjo el 20 de enero de 2011. ^{[90] [ necesita actualización ]}

El 21 de junio de 2005, un proyecto privado conjunto entre Planetary Society , Cosmos Studios y la Academia Rusa de Ciencias lanzó un prototipo de vela Cosmos 1 desde un submarino en el mar de Barents , pero el cohete Volna falló y la nave espacial no logró alcanzar la órbita. Tenían la intención de utilizar la vela para elevar gradualmente la nave espacial a una órbita terrestre más alta durante una misión de un mes. El intento de lanzamiento despertó el interés público según Louis Friedman. ^[91] A pesar del fallido intento de lanzamiento de Cosmos 1, The Planetary Society recibió aplausos por sus esfuerzos de la comunidad espacial y despertó un renovado interés en la tecnología de velas solares.

En el 75 cumpleaños de Carl Sagan (9 de noviembre de 2009) la Planetary Society anunció planes ^[92] para hacer tres intentos más, denominados LightSail-1 , -2 y -3. ^[93] El nuevo diseño utilizará una vela Mylar de 32 m ² , desplegada en cuatro segmentos triangulares como NanoSail-D. ^[93] La configuración de lanzamiento es un formato CubeSat 3U y, a partir de 2015, se programó como carga útil secundaria para un lanzamiento en 2016 en el primer lanzamiento del SpaceX Falcon Heavy . ^[94]

El 20 de mayo de 2015 se lanzó el LightSail-1. ^[95] El objetivo de la prueba era permitir una verificación completa de los sistemas del satélite antes del lanzamiento del LightSail-2. Su órbita de despliegue no era lo suficientemente alta como para escapar de la resistencia atmosférica de la Tierra y demostrar una verdadera navegación solar.

El 25 de junio de 2019 se lanzó LightSail -2 y se desplegó en una órbita terrestre baja mucho más alta. Sus velas solares se desplegaron el 23 de julio de 2019. ^[96] Volvió a entrar en la atmósfera el 17 de noviembre de 2022.

El Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) fue una misión desarrollada conjuntamente por el Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) de la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), que consistía en una nave espacial de vela solar CubeSat controlable de bajo costo capaz de encontrarse con asteroides cercanos a la Tierra (NEA). ^[97] Se desplegaron cuatro brazos de 7 m (23 pies), desplegando la vela solar de poliimida aluminizada de 83 m ² (890 pies cuadrados). ^{[98] [99] [100]} En 2015, la NASA anunció que había seleccionado a NEA Scout para lanzarlo como una de varias cargas útiles secundarias a bordo de Artemis 1 , el primer vuelo del vehículo de lanzamiento SLS de carga pesada de la agencia . ^[101] Sin embargo, la nave se consideró perdida debido a la falla en establecer comunicaciones poco después del lanzamiento en 2022. ^[102]

El sistema avanzado de velas solares compuestas (ACS3) de la NASA ^[103] es una demostración tecnológica de la tecnología de velas solares para futuras naves espaciales pequeñas. ^[104] Fue seleccionado en 2019 por la Iniciativa de Lanzamiento de CubeSat (CSLI) de la NASA para ser lanzado como parte del programa ELaNa . ^[105]

El ACS3 consiste en un pequeño satélite CubeSat de 12 U (unidad) ^[106] (23 cm x 23 cm x 34 cm; 16 kg) que despliega una vela solar cuadrática de 80 metros cuadrados (860 pies cuadrados) que consiste en una película de naftalato de polietileno recubierta en un lado con aluminio para reflectividad y en el otro lado con cromo para aumentar la emisividad térmica. La vela está sostenida por un novedoso sistema de despliegue de cuatro brazos de polímero reforzado con fibra de carbono de 7 metros (23 pies) de largo que se enrollan para su almacenamiento. ^[107]

El ACS3 se lanzó el 23 de abril de 2024 en la misión Electron " Beginning Of The Swarm ". El ACS3 estableció contacto con éxito con las estaciones terrestres después del despliegue a principios de mayo. ^[108] Los operadores de la misión confirmaron que la vela solar estaba operativa con éxito el 29 de agosto de 2024. ^{[109] [110]}

El 25 de octubre de 2024 se informó que "... un brazo de soporte doblado hizo que (ACS3) perdiera la dirección y girara fuera de control en el espacio". ^[111]

A pesar de las pérdidas de Cosmos 1 y NanoSail-D (de unos 23 cm x 23 cm x 34 cm) debidas a fallos en sus lanzadores, los científicos e ingenieros de todo el mundo siguen alentados y siguen trabajando en velas solares. Aunque la mayoría de las aplicaciones directas creadas hasta ahora pretenden utilizar las velas como modos económicos de transporte de carga, algunos científicos están investigando la posibilidad de utilizar velas solares como medio de transporte de seres humanos. Este objetivo está estrechamente relacionado con la gestión de superficies muy grandes (es decir, muy superiores a 1 km2 ⁾ en el espacio y los avances en la fabricación de velas. El desarrollo de velas solares para vuelos espaciales tripulados todavía está en sus inicios.

Se estaba desarrollando una embarcación de demostración de tecnología a vela, denominada Sunjammer ^{, con la intención de demostrar la viabilidad y el valor de la tecnología de navegación a vela. [112]} Sunjammer tenía una vela cuadrada, de 38 metros (125 pies) de ancho en cada lado, lo que le daba un área efectiva de 1200 metros cuadrados (13 000 pies cuadrados). Habría viajado desde el punto de Lagrange L ₁ entre el Sol y la Tierra , a 1,5 millones de kilómetros (930 000 millas) de la Tierra, hasta una distancia de 3 millones de kilómetros (1,9 millones de millas). ^[113] Se esperaba que la demostración se lanzara en un Falcon 9 en enero de 2015. ^[114] Habría sido una carga útil secundaria, liberada después de la colocación del satélite climático DSCOVR en el punto L1. ^[114] Citando una falta de confianza en la capacidad de su contratista L'Garde para entregar, la misión fue cancelada por la NASA en octubre de 2014. ^[115]

OKEANOS (Outsized Kite-craft for Exploration and Astronautics in the Outer Solar System) fue un concepto de misión propuesto por la JAXA de Japón a los asteroides troyanos de Júpiter utilizando una vela solar híbrida para la propulsión; la vela habría estado cubierta con paneles solares delgados para alimentar un motor de iones . El análisis in situ de las muestras recolectadas se habría realizado por contacto directo o utilizando un módulo de aterrizaje que llevara un espectrómetro de masas de alta resolución. Un módulo de aterrizaje y un retorno de muestras a la Tierra eran opciones en estudio. ^{[116] El OKEANOS Jupiter Trojan Asteroid Explorer fue finalista para la segunda misión de clase grande} de ISAS de Japón que se lanzará a fines de la década de 2020. Sin embargo, no fue seleccionado.

En agosto de 2019, la NASA otorgó al equipo Solar Cruiser 400.000 dólares para realizar estudios conceptuales de la misión durante nueve meses. La nave espacial tendría una vela solar de 1.672 m2 ⁽ 18.000 pies cuadrados) y orbitaría el Sol en una órbita polar, mientras que el instrumento coronógrafo permitiría mediciones simultáneas de la estructura del campo magnético del Sol y la velocidad de las eyecciones de masa coronal . ^[117] Si hubiera sido seleccionado para un mayor desarrollo, se habría lanzado en 2025. Sin embargo, Solar Cruiser no fue aprobado para avanzar a la fase C de su ciclo de desarrollo y posteriormente se suspendió. ^[118]

En diciembre de 2013 ^[actualizar], la Agencia Espacial Europea (ESA) propuso una vela de desorbitación, llamada " Gossamer ", que estaría destinada a ser utilizada para acelerar la desorbitación de satélites artificiales pequeños (menos de 700 kilogramos (1500 lb)) desde órbitas terrestres bajas . La masa de lanzamiento es de 2 kilogramos (4,4 lb) con un volumen de lanzamiento de solo 15 × 15 × 25 centímetros (0,49 × 0,49 × 0,82 pies). Una vez desplegada, la vela se expandiría a 5 por 5 metros (16 pies × 16 pies) y usaría una combinación de presión solar en la vela y mayor resistencia atmosférica para acelerar la reentrada del satélite . ^[43]

El proyecto Breakthrough Starshot, bien financiado y anunciado el 12 de abril de 2016, tiene como objetivo desarrollar una flota de 1000 nanonaves con velas ligeras que lleven cámaras en miniatura, impulsadas por láseres terrestres y enviarlas a Alfa Centauri al 20% de la velocidad de la luz. ^{[119] [120] [121]} El viaje duraría 20 años.

Cordwainer Smith da una descripción de naves espaciales impulsadas por velas solares en "La dama que navegó el alma", publicado por primera vez en abril de 1960.

Jack Vance escribió un cuento sobre una misión de entrenamiento en una nave espacial impulsada por velas solares en "Sail 25", publicado en 1961.

Arthur C. Clarke y Poul Anderson (que escribe como Winston P. Sanders) publicaron de forma independiente historias que presentaban velas solares, ambas historias tituladas "Sunjammer", en 1964. Clarke retituló su historia "El viento del sol" cuando fue reimpresa, para evitar confusiones. ^[122]

En la novela de Larry Niven y Jerry Pournelle de 1974 , La mota en el ojo de Dios , se descubren extraterrestres cuando su sonda propulsada por una vela láser ingresa al espacio humano.

Una tecnología similar fue el tema del episodio " Exploradores " de Star Trek: Deep Space Nine . En el episodio, se describen las naves de luz como una tecnología antigua utilizada por los bajoranos para viajar más allá de su sistema solar utilizando la luz del sol bajorano y velas especialmente construidas para impulsarlos a través del espacio ( "Exploradores". Star Trek: Deep Space Nine . Temporada 3. Episodio 22.). ^[123]

En la película de Star Wars de 2002 El ataque de los clones , el villano principal, el Conde Dooku, fue visto usando una nave espacial con velas solares. ^[124]

En la película Avatar de 2009 , la nave espacial que transporta al protagonista Jake Sully al sistema Alfa Centauri, el ISV Venture Star , utiliza velas solares como medio de propulsión para acelerar el vehículo lejos de la Tierra hacia Alfa Centauri.

En la tercera temporada del programa de televisión de historia alternativa For All Mankind de Apple TV+ , la nave espacial ficticia de la NASA Sojourner 1 utiliza velas solares para propulsión adicional en su camino a Marte.

En el episodio final de la primera temporada del programa de televisión de Netflix 2024, 3 Body Problem , uno de los protagonistas, Will Downing, tiene su cerebro criogénicamente congelado lanzado al espacio hacia la nave espacial Trisoliana que se aproxima, usando velas solares y propulsión de pulso nuclear para acelerarlo a una fracción de la velocidad de la luz.

• Extraterrestre: la primera señal de vida inteligente más allá de la Tierra  – Libro de divulgación científica de 2021 de Avi Loeb
• Elevación óptica  : fuerza de elevación debida a la luz
• Efecto Poynting-Robertson  : proceso en el que la radiación solar hace que un grano de polvo que orbita alrededor de una estrella pierda momento angular.
• Tecnofirma  : Propiedad que proporciona evidencia científica de la presencia de tecnología.
• Efecto Yarkovsky  : Fuerza que actúa sobre un cuerpo giratorio en el espacio

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• Velas solares Colección completa de información y referencias sobre velas solares, mantenida por Benjamin Diedrich. Buenos diagramas que muestran cómo deben virar los navegantes ligeros.
• U3P Sitio multilingüe con noticias y simuladores de vuelo
• ISAS desplegó una película de vela solar en el espacio
• Propuesta de una vela solar con rizadores de rodillos, propulsión híbrida y una estación central de atraque y carga útil.
• Entrevista con el JPL de la NASA sobre la tecnología y las misiones de las velas solares
• Sitio web con archivos técnicos en formato PDF sobre navegación solar, incluido un informe de la NASA y conferencias en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Roma
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