vela solar

La mayoría de las velas solares se basan en la reflexión . ^{[ 21 ]} La superficie de la vela es altamente reflectante, como un espejo , y la luz que se refleja en ella ejerce una fuerza. Una limitación clave, que en la práctica afecta la eficiencia de las trayectorias de la vela, es que la dirección y la magnitud del empuje están acopladas , por lo que no se pueden controlar de forma independiente.

En 2018, se propuso la difracción como un mecanismo de propulsión alternativo para velas solares. Se utilizaría un material con una rejilla de difracción ajustable para dirigir la luz incidente en el ángulo deseado. Esta disposición eliminaría el acoplamiento entre la dirección y la magnitud del empuje, y permitiría ajustarlo con mayor rapidez que con una vela reflectante (que necesita inclinarse en diferentes ángulos para lograr el control). Sin embargo, el nivel de madurez tecnológica del material de la vela no es tan avanzado como en el caso de las velas reflectantes. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

También se ha propuesto abordar el acoplamiento entre dirección y empuje observado en una vela solar reflectante mediante un propulsor de fotones solares . ^{[ 24 ]} Este también utiliza una membrana reflectante, pero a diferencia de una vela solar convencional, la membrana dirige la radiación incidente hacia un pequeño espejo colimador. El espejo colimador dirige esta radiación hacia un espejo reflectante, cuya orientación afecta la dirección del haz de radiación saliente y, por lo tanto, la dirección del empuje. De este modo, la dirección del empuje se controla no girando todo el reflector, sino girando un pequeño espejo sobre el que se ha enfocado esta radiación. Si bien esto no elimina por completo el acoplamiento entre la magnitud y la dirección del empuje, significa que el empuje es proporcional al coseno, en lugar del coseno al cuadrado de su dirección, una modificación que aumenta la magnitud del empuje disponible en todos los ángulos. ^{[ 25 ]}

Pekka Janhunen, del FMI, ha propuesto un tipo de vela solar denominada vela de viento solar eléctrica . ^{[ 26 ]} Mecánicamente, tiene poco en común con el diseño tradicional de vela solar. Las velas se sustituyen por cables conductores rectos colocados radialmente alrededor de la nave nodriza. Los cables se cargan eléctricamente para crear un campo eléctrico a su alrededor. Este campo eléctrico se extiende varias decenas de metros dentro del plasma del viento solar circundante. Los protones solares se reflejan en el campo eléctrico (al igual que los fotones en una vela solar tradicional). El radio de la vela se define por el campo eléctrico, no por el cable en sí, lo que la hace más ligera. La nave también puede dirigirse regulando la carga eléctrica de los cables. Una vela eléctrica práctica tendría entre 50 y 100 cables rectos de unos 20  km de longitud cada uno. ^{[ 27 ]}

Las velas solares eléctricas pueden ajustar sus campos electrostáticos y su orientación.

Una vela magnética también emplearía el viento solar. Sin embargo, el campo magnético desvía las partículas cargadas eléctricamente en el viento. Utiliza bucles de alambre y hace circular una corriente estática a través de ellos en lugar de aplicar un voltaje estático. ^{[ 28 ]}

Todos estos diseños son maniobrables, 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 la magnitud de los campos magnéticos, pueden modificar la cantidad y la dirección del empuje.

La fuerza impartida a una vela solar surge del momento de los fotones. El momento de un fotón o de un flujo completo viene dado por la relación de Einstein : ^{[ 29 ] [ 30 ]}

${\displaystyle p=E/c}$

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

La presión de radiación solar se puede relacionar con el valor de irradiancia ( constante solar ) de 1361  W/m ² a 1 UA (distancia Tierra-Sol), según la revisión de 2011: ^{[ 31 ]} 

• 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 una reflexión especular del 100% . Una vela real tendrá una eficiencia general de aproximadamente el 90%, aproximadamente 8,17  μN/m² ^, [ ^{30 ] debido} a la curvatura (abombamiento), arrugas, absorbancia, re-radiación desde el frente y la parte posterior, efectos no especulares y otros factores.

La fuerza sobre una vela y la aceleración real de la nave varían por el inverso del cuadrado de la distancia al Sol (a menos que esté extremadamente cerca del Sol ^{[ 32 ]} ), 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 navegación ideal)

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

${\displaystyle F=F_{0}(0.349+0.662\cos(2\theta )-0.011\cos(4\theta ))/R^{2}}$

Nótese que la fuerza y ​​la aceleración tienden a cero generalmente alrededor de θ = 60° en lugar de 90° como cabría esperar con una vela ideal. ^{[ 33 ]}

Si se absorbe parte de la energía, esta calentará la vela, que a su vez reemitirá esa energía desde las superficies delantera y trasera, dependiendo de la emisividad de dichas superficies.

El viento solar , el flujo de partículas cargadas expulsadas del Sol, ejerce una presión dinámica nominal de aproximadamente 3 a 4 nPa , tres órdenes de magnitud menor que la presión de la radiación solar sobre una vela reflectante. ^{[ 34 ]}

La carga de la vela (densidad superficial) es un parámetro importante, que es la masa total dividida por la superficie de la vela, expresada en g/m² ^. Se representa con la letra griega σ (sigma).

Una embarcación de vela tiene una aceleración característica, a _c , que experimentaría a 1  UA cuando mira hacia el 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 se relaciona con la densidad superficial 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 luminosidad, λ, o a menudo β, es la relación adimensional entre la aceleración máxima del vehículo y 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, ya que tanto la gravedad como la presión lumínica disminuyen con el cuadrado inverso de la distancia al Sol. Por lo tanto, este número define los tipos de maniobras orbitales posibles para una nave determinada.

La tabla presenta algunos valores de ejemplo. No se incluyen las cargas útiles. Los dos primeros provienen del diseño detallado realizado en el JPL en la década de 1970. El tercero, el de vela reticular, podría representar el nivel de rendimiento óptimo. ^{[ 5 ]} Las dimensiones para las velas cuadradas y reticulares corresponden a los bordes. La dimensión para el heliogiro es de punta a punta de las palas.

Un sistema activo de control de actitud (ACS, por sus siglas en inglés) es esencial para que una nave de vela alcance y mantenga la orientación deseada. La orientación requerida de la vela 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 desplazamiento relativo entre el centro de presión y el centro de masa de la nave . Esto se puede conseguir con aletas de control, el movimiento de velas individuales, el movimiento de una masa de control o la modificación de la reflectividad.

Mantener una actitud constante requiere que el sistema de control de actitud (ACS) mantenga un par neto de cero sobre la aeronave. 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 varía con la distancia solar y el ángulo de la vela, lo que modifica la ondulación de la vela y desvía algunos elementos de la estructura de soporte, provocando cambios en la fuerza y ​​el par de la vela.

La temperatura de la vela también varía con la distancia solar y el ángulo de inclinación, lo que modifica sus dimensiones. El calor radiante de la vela altera la temperatura de la estructura de soporte. Ambos factores influyen en la fuerza y ​​el par totales.

Para mantener la actitud deseada, la ACS debe compensar todos estos cambios. ^{[ 35 ]}

Para viajes dentro del Sistema Solar interior, pueden entregar cargas útiles y luego regresar a la Tierra para viajes posteriores, funcionando como una lanzadera interplanetaria. Para Marte en particular, la nave podría proporcionar un medio económico 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 veleros podría ahorrar potencialmente más de 10 mil millones de dólares en costos de misión". ^{[ 5 ]}

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

Las velas solares pueden viajar hacia y desde todos los planetas interiores. Los viajes a Mercurio y Venus son para encuentro y entrada en órbita de la carga útil. Los viajes a Marte podrían ser para encuentro o para maniobra de giro con liberación de la carga útil para frenado aerodinámico . ^{[ 5 ]}

Para minimizar los tiempos de transferencia a los planetas exteriores, se recomienda utilizar una transferencia indirecta (atravesamiento solar). Sin embargo, este método resulta en altas velocidades de llegada. Las transferencias más lentas tienen velocidades de llegada menores.

El tiempo mínimo de transferencia a Júpiter para una _velocidad de 1  mm/s² ^sin velocidad de partida relativa a la Tierra es de 2 años cuando se utiliza una transferencia indirecta (oscilación solar). La velocidad de llegada ( _V∞ ) es cercana a 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. ^{[ 5 ]}  

El foco gravitacional interno del Sol se encuentra a una distancia mínima de 550 UA del Sol, y es el punto hacia el cual la luz de objetos distantes se enfoca por la gravedad al pasar cerca del Sol. Este es, por lo tanto, el punto distante hacia el cual la gravedad solar enfoca la región del espacio profundo al otro lado del Sol, sirviendo así, en la práctica, como una lente objetivo de telescopio de gran tamaño. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

Se ha propuesto que una vela inflada, hecha de berilio , que parta a 0,05 UA del Sol, obtendría una aceleración inicial de 36,4  m/s² ^y alcanzaría una velocidad de 0,00264c (aproximadamente 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 de hidrógeno a altas temperaturas y un gradiente electrostático, generado por la ionización del berilio por el viento solar, que supone un riesgo de explosión. Un perihelio revisado de 0,1 UA reduciría la exposición a la temperatura y al flujo solar mencionados anteriormente. ^{[ 38 ]} Dicha vela tardaría "dos años y medio en alcanzar la heliopausa , seis años y medio en alcanzar el foco gravitacional interno del Sol , llegando a la nube de Oort interna en no más de treinta años". ^{[ 37 ]} "Tal misión 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 comentó que una vela solar podría usarse para modificar la órbita de un satélite alrededor de la Tierra. En el límite, una vela podría usarse para mantener un satélite suspendido sobre uno de los polos terrestres. 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 denominó " statite ". Esto es posible porque la propulsión proporcionada por la vela contrarresta la atracción gravitatoria del Sol. Dicha órbita podría ser útil para estudiar las propiedades del Sol durante largos períodos. ^{[ 39 ]} Asimismo, una nave espacial equipada con una vela solar también podría permanecer en posición casi sobre el terminador solar polar de un planeta como la Tierra, inclinando la vela al ángulo apropiado necesario para contrarrestar la gravedad del planeta. ^{[ 39 ]}

En su libro *El caso de Marte* , Robert Zubrin señala que la luz solar reflejada por un gran estato, ubicado cerca del terminador polar del planeta Marte, podría concentrarse en uno de los casquetes polares marcianos para calentar significativamente la atmósfera del planeta. Dicho estato podría estar hecho de material de asteroide.

Se ha propuesto un grupo de satélites diseñados para funcionar como velas solares con el fin de medir el desequilibrio energético de la Tierra , que es la medida más fundamental del ritmo de calentamiento global del planeta . Acelerómetros de última generación a bordo medirían los cambios en el diferencial de presión entre la radiación solar incidente y la radiación térmica saliente en lados opuestos de cada satélite. Se ha proyectado que la precisión de la medición será superior a la que se puede lograr con detectores radiométricos compactos . ^{[ 40 ]}

La sonda MESSENGER, que orbitaba Mercurio, utilizó la presión de la luz sobre sus paneles solares para realizar correcciones precisas de su trayectoria en el camino hacia Mercurio. ^{[ 41 ]} Al cambiar el ángulo de los paneles solares con respecto al Sol, se varió la cantidad de presión de radiación solar para ajustar la trayectoria de la nave espacial con mayor precisión que con los propulsores. Los errores menores se amplifican enormemente con las maniobras de asistencia gravitatoria , por lo que usar la presión de radiación para realizar correcciones muy pequeñas permitió ahorrar grandes cantidades de propelente.

En la década de 1970, Robert Forward propuso dos esquemas de propulsión mediante haces de luz que utilizaban láseres o máseres para impulsar velas gigantes a una fracción significativa de la velocidad de la luz . ^{[ 42 ]}

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

Ambos métodos plantean desafíos de ingeniería monumentales. Los láseres tendrían que funcionar de forma continua durante años a una potencia de gigavatios . La solución de Forward requiere la construcción de enormes conjuntos de paneles solares en Mercurio o sus proximidades. Sería necesario ubicar un espejo o lente de Fresnel del tamaño de un planeta a varias decenas 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 en la vela interior de desaceleración.

Un enfoque potencialmente más sencillo sería utilizar un máser para impulsar una "vela solar" compuesta por una malla de cables con la misma separación que la longitud de onda de las microondas dirigidas a la vela, ya que la manipulación de la radiación de microondas es algo más sencilla que la manipulación de la luz visible. El diseño hipotético de la sonda interestelar " Starwisp " ^{[ 43 ] [ 44 ]} utilizaría microondas, en lugar de luz visible, para impulsarla. Los máseres se dispersan más rápidamente que los láseres ópticos debido a su mayor longitud de onda, por lo que no tendrían un alcance efectivo tan grande.

Los máseres también podrían usarse para alimentar una vela solar pintada, una vela convencional recubierta con una capa de sustancias químicas diseñadas para evaporarse al ser impactadas por radiación de microondas. ^{[ 45 ]} 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 concentrar aún más la energía en una vela solar distante, Forward propuso una lente diseñada como una gran placa zonal . Esta se colocaría en un punto entre el láser o máser y la nave espacial. ^{[ 42 ]}

Otro enfoque más realista desde el punto de vista físico sería usar la luz del Sol para acelerar la nave espacial. ^{[ 46 ]} La nave primero entraría en una órbita que la acercara al Sol, para maximizar la entrada de energía solar en la vela, luego comenzaría a acelerar alejándose del sistema usando la luz del Sol. La aceleración disminuiría aproximadamente como el inverso del cuadrado 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 usar la presión hacia afuera de la estrella de destino para desacelerar. Los cohetes podrían aumentar el empuje solar.

Se sugirieron métodos similares de lanzamiento y captura mediante 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 vela solar delgados con densidades superficiales efectivas de 0,1  g/m² ^, 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 transportando 10 000 cápsulas de cien millones de microorganismos extremófilos para sembrar vida en diversos entornos objetivo. ^{[ 47 ] [ 48 ]}   

Los estudios teóricos sugieren velocidades relativistas si la vela solar aprovecha una supernova. ^{[ 49 ]}

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 usar una combinación de presión solar sobre la vela y mayor resistencia atmosférica para acelerar la reentrada del satélite . ^{[ 50 ]} 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. ^{[ 51 ]} El propósito de la vela es sacar el satélite de órbita durante un período de aproximadamente 25 años. ^{[ 52 ]} 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 , ^{[ 53 ]} pero finalmente no logró desplegarla. ^{[ 54 ]} Una misión estudiantil CubeSat 2U llamada PW-Sat2 , lanzada en diciembre de 2018, probó una vela de desorbitación de 4 m ^{2. Se desorbitó con éxito en febrero de 2021. [ 55 ]} En junio de 2017, un segundo CubeSat británico 3U llamado InflateSail desplegó una vela de desorbitación de 10 m ² a una altitud de 500 kilómetros (310 mi) . ^{[ 56 ]} En junio de 2017, el CubeSat 3U URSAMAIOR fue lanzado a órbita terrestre baja para probar el sistema de desorbitación ARTICA desarrollado por Spacemind . ^{[ 57 ]} El dispositivo, que ocupa solo 0,4 U del CubeSat, desplegará una vela de 2,1 m ² para desorbitar el satélite al final de su vida útil. ^{[ 58 ]} 

El material más común en los diseños actuales es una fina capa de aluminio sobre una lámina de polímero (plástico), como la película de Kapton  aluminizada de 2 μm . El polímero proporciona soporte mecánico y flexibilidad, mientras que la fina capa metálica aporta reflectividad. Este material resiste el calor de un paso cercano al Sol y, aun así, conserva una resistencia razonable. La película reflectante de aluminio se encuentra en el lado expuesto al Sol. Las velas de 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. ^{[ 64 ]} Propuso velas solares con una relación empuje-masa muy alta y fabricó 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. Fabricó y manipuló muestras de la película en el laboratorio, pero el material era demasiado delicado para soportar el plegado, el lanzamiento y el 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. ^{[ 64 ]} 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 mediante deposición de vapor en un sistema espacial. Drexler utilizó un proceso similar para preparar películas en tierra. Como se preveía, estas películas demostraron la 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.

Una investigación realizada por Geoffrey Landis entre 1998 y 1999, financiada por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA , demostró 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 superiores para velas que las películas de aluminio o Kapton utilizadas anteriormente como estándar. ^{[ 65 ]}

En el año 2000, Energy Science Laboratories desarrolló un nuevo material de fibra de carbono que podría ser útil para velas solares. ^{[ 66 ] [ 67 ]} Este material es más de 200 veces más grueso que los diseños convencionales de velas solares, pero es tan poroso que tiene la misma masa. La rigidez y durabilidad de este material podrían dar lugar a velas solares significativamente más resistentes que las de plástico. El material podría desplegarse automáticamente y debería soportar temperaturas más elevadas.

Se ha especulado teóricamente sobre el uso de técnicas de fabricación molecular para crear materiales de vela avanzados, resistentes e hiperligeros, basados ​​en tejidos de malla de nanotubos , donde los "espacios" del tejido son menores a la mitad de la longitud de onda de la luz que incide sobre la vela. Si bien estos materiales hasta ahora solo se han producido en condiciones de laboratorio, y aún no se dispone de los medios para fabricarlos a escala industrial, podrían tener una masa inferior a 0,1  g/m² ^, [ ^{68 ] lo} que los haría al menos 30 veces más ligeros que cualquier material de vela actual. A modo de comparación, el material de vela de 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 ^, [ ^{62 ] y} el nuevo material de fibra de carbono de Energy Science Laboratories tiene una masa de 3  g/ ^m² . ^{[ 66 ]}

El metal menos denso es el litio , aproximadamente 5 veces menos denso que el aluminio. Las superficies frescas y sin oxidar son reflectantes. Con un espesor de 20  nm, el litio tiene una densidad superficial de 0,011  g/m² ^. Una vela de alto rendimiento podría fabricarse únicamente con litio a 20  nm (sin capa emisora). Tendría que fabricarse en el espacio y no utilizarse para acercarse al Sol. En el límite, una nave de vela podría construirse con una densidad superficial total de alrededor de 0,02  g/m² ^, lo que le daría 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 pueden alearse entre sí y con aluminio. ^{[ 5 ]}

El aluminio es la opción más común para la capa reflectante. Suele tener 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 emisora ​​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 película plástica. Los valores de emisividad utilizables son empíricos debido a que predominan los efectos de película delgada; los valores de emisividad del material a granel no son válidos en estos casos porque el espesor del material es mucho menor que las longitudes de onda emitidas. ^{[ 69 ]}

Las velas se fabrican en la Tierra sobre largas mesas donde se desenrollan y unen cintas para crearlas. El material de las velas debía ser lo más ligero posible, ya que se requeriría el uso del transbordador para transportar la nave a la órbita. Por lo tanto, estas velas se empaquetan, se lanzan y se despliegan en el espacio. ^{[ 70 ]}

En el futuro, la fabricación podría realizarse en órbita dentro de grandes estructuras que soporten la vela. Esto daría como resultado velas de menor masa y eliminaría el riesgo de fallo en el despliegue.

Las operaciones de navegación son más sencillas en órbitas interplanetarias, donde los cambios de altitud se producen a baja velocidad. Para trayectorias de salida, 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, haciendo que la nave se aleje del Sol. Para trayectorias de entrada, 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, haciendo que la nave se acerque al Sol. Cabe destacar que solo la gravedad del Sol atrae la nave hacia él; no existe un equivalente a la maniobra de virar a barlovento de un velero. Para cambiar la inclinación orbital, el vector de fuerza se desvía del plano del vector de velocidad.

En las órbitas alrededor de planetas u otros cuerpos, la vela se orienta de manera que su vector de fuerza tenga una componente paralela al vector de velocidad, ya sea en la dirección del movimiento para una espiral hacia afuera, o en contra de la dirección del movimiento para una espiral hacia adentro.

La optimización de la trayectoria a menudo requiere intervalos de empuje reducido o nulo. Esto se puede lograr haciendo girar la nave alrededor de la línea del Sol con la vela ajustada a un ángulo apropiado para reducir o eliminar el empuje. ^{[ 5 ]}

Un acercamiento al Sol puede utilizarse para aumentar la energía de una nave. La mayor presión de radiación, combinada con la eficacia de encontrarse en la profundidad del pozo gravitatorio del Sol, incrementa sustancialmente la energía para viajes al Sistema Solar exterior. La aproximación óptima al Sol se logra aumentando la excentricidad orbital mientras se mantiene el nivel de energía lo más alto posible. La distancia mínima de aproximación depende del ángulo de la vela, las propiedades térmicas de la vela y otras estructuras, los efectos de la carga sobre la estructura y las características ópticas de la vela (reflectividad y emisividad). Un acercamiento puede provocar una degradación óptica considerable. Las velocidades de giro requeridas pueden aumentar sustancialmente durante un acercamiento. Una nave de vela que llega a una estrella puede utilizar un acercamiento 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 ofrecer importantes ventajas para las trayectorias de salida o llegada a la Tierra. Esto puede reducir los tiempos de viaje, especialmente cuando la nave está muy cargada. Un sobrevuelo lunar también puede utilizarse para obtener direcciones de salida o llegada favorables con respecto a la Tierra.

También se podría emplear un sobrevuelo planetario similar al que se realiza con las naves espaciales en vuelo inercial, pero es posible que no existan buenas alineaciones debido a los requisitos para la optimización general de la trayectoria. ^{[ 71 ]}

La siguiente tabla enumera algunos ejemplos de conceptos que utilizan propulsión láser dirigida, tal como lo propuso el físico Robert L. Forward : ^{[ 72 ]}

En órbita terrestre, una nave de vela debe operar a una altitud donde la presión de reacción solar (PRS) supere la presión de arrastre. Dado que la presión de arrastre disminuye con la altitud, esto implica la existencia de una altitud operativa mínima (normalmente alrededor de 600  km, aunque esto depende ligeramente de la actividad solar y la aplicación de la misión). ^{[ 74 ]}

Las naves de vela deben operar en órbitas donde la velocidad angular máxima de la estructura sea compatible con el período de las órbitas, una consideración particularmente relevante en el caso de órbitas planetocéntricas, que a menudo tienen un período mucho más corto que las órbitas heliocéntricas. Por ejemplo, en el caso de ACS3 , la estructura tiene una velocidad angular máxima de 0,5 °/s ^{[ 75 ],} por lo que el diseño de la estrategia de control no debe requerir cambios de actitud que superen esta velocidad.

Las temperaturas de funcionamiento de una vela dependen de la distancia solar, el ángulo de la vela, la reflectividad y las emisividades frontal y posterior. Una vela solo puede utilizarse cuando su temperatura se mantiene dentro de los límites del material. Generalmente, una vela puede utilizarse bastante cerca del Sol, a unos 0,25  UA, o incluso más cerca si se diseña cuidadosamente para esas condiciones. ^{[ 5 ]}

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 propulsor utilizado en dicho control.

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

La vela solar del MTSAT-1R ( Satélite de Transporte Multifuncional ) contrarresta el par de torsión producido por la presión de la luz solar sobre el panel solar. La aleta de compensación del panel solar realiza pequeños ajustes en el equilibrio del par de torsión.

La NASA ha probado con éxito tecnologías de despliegue en velas a pequeña escala en cámaras de vacío. ^{[ 76 ]}

En 1999, se probó en tierra un despliegue a gran escala de una vela solar en el DLR/ESA en Colonia. ^{[ 77 ]}

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

Una vela solar de 15 metros de diámetro (SSP, carga útil secundaria de vela solar, soraseiru sabupeiro-do ) fue lanzada junto con ASTRO-F en un cohete MV el 21 de febrero de 2006 y llegó a la órbita. Se desplegó desde la etapa, pero se abrió de forma incompleta. ^{[ 78 ]}

El 9 de agosto de 2004, el ISAS japonés desplegó con éxito dos prototipos de velas solares desde un cohete sonda. Una vela con forma de trébol se desplegó a 122  km de altitud y una vela con forma de abanico a 169  km. Ambas velas utilizaban una película de 7,5 micrómetros . El experimento se centró exclusivamente en probar los mecanismos de despliegue, no la propulsión. ^{[ 79 ]}

El 4 de febrero de 1993, el reflector Znamya 2 , de 20 metros de ancho y fabricado con mylar aluminizado, fue desplegado con éxito desde la estación espacial rusa Mir . Fue el primer reflector de película delgada de este tipo desplegado con éxito en el espacio mediante un mecanismo basado en la fuerza centrífuga. ^{[ 80 ]} Si bien el despliegue fue exitoso, no se demostró la propulsión. Una segunda prueba en 1999, con el reflector Znamya 2.5 , no logró desplegarse correctamente.

El 21 de mayo de 2010, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) lanzó la primera nave espacial interplanetaria de vela solar del mundo , " IKAROS " (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), a Venus. ^{[ 81 ]} Utilizando un nuevo método de propulsión de fotones solares, ^{[ 82 ]} fue la primera nave espacial de vela solar verdadera totalmente propulsada por la luz solar, ^{[ 83 ] [ 84 ]} y fue la primera nave espacial en lograr un vuelo con vela solar. ^{[ 85 ]}

JAXA probó con éxito IKAROS en 2010. El objetivo era desplegar y controlar la vela y, por primera vez, determinar las mínimas perturbaciones orbitales causadas por la presión atmosférica. La determinación de la órbita se realizó mediante la sonda AKATSUKI, cercana a Venus, de la cual IKAROS se separó después de que ambas entraran en una órbita de transferencia hacia Venus. El efecto total durante los seis meses de vuelo fue de 100  m/s. ^{[ 86 ]}

Hasta 2010, ninguna vela solar se había utilizado con éxito en el espacio como sistema de propulsión primaria. El 21 de mayo de 2010, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) lanzó la nave espacial IKAROS, que desplegó una vela solar experimental de poliimida de 200 m² el 10 de junio. ^{[ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] En} julio, comenzó la siguiente fase para la demostración de aceleración por radiación. El 9 de julio de 2010, se verificó que IKAROS recogió radiación del Sol y comenzó la aceleración de fotones mediante la determinación de la órbita de IKAROS por rango y tasa de rango (RARR) que se calcula recientemente además de los datos de la velocidad de aceleración de relativización de IKAROS entre IKAROS y la Tierra que se ha tomado desde antes de que se utilizara el efecto Doppler. ^{[ 90 ]} Los datos mostraron que IKAROS parece haber estado navegando con vela solar desde el 3 de junio, cuando desplegó la vela.

IKAROS tiene una vela cuadrada giratoria diagonal de 14 × 14 m (196 m² ⁾ 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 integrado en la vela. Ocho paneles LCD están integrados en la vela, cuya reflectancia se puede ajustar para el control de actitud . ^{[ 91 ] [ 92 ]} IKAROS pasó seis meses viajando a Venus y luego comenzó un viaje de tres años al lado oculto del Sol. ^{[ 93 ]} 

Un equipo del Centro de Vuelos Espaciales Marshall 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. ^{[ 94 ] [ 95 ]} La segunda versión de respaldo, NanoSail-D2 , también llamada a veces simplemente NanoSail-D, ^{[ 96 ]} fue lanzada 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. ^{[ 97 ]} La estructura de NanoSail-D estaba hecha de aluminio y plástico, con la nave espacial pesando menos de 10 libras (4,5 kg) . La vela tiene aproximadamente 9,3 m² (100 pies ^cuadrados ) de superficie captadora de luz. Tras algunos problemas iniciales con el despliegue, la vela solar se desplegó y, durante su misión de 240 días, según se informa, produjo una gran cantidad de datos sobre el uso de velas solares como dispositivos pasivos de desorbitación. ^{[ 98 ]}  

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 no se produjo hasta el 20 de enero de 2011. ^{[ 99 ]}

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 solar, Cosmos 1, desde un submarino en el mar de Barents , pero el cohete Volna falló y la nave espacial no logró alcanzar la órbita. Su intención era utilizar la vela para elevar gradualmente la nave a una órbita terrestre más alta durante una misión de un mes. El intento de lanzamiento despertó el interés público, según Louis Friedman. ^{[ 100 ]} A pesar del fracaso del lanzamiento de Cosmos 1, Planetary Society recibió elogios de la comunidad espacial por sus esfuerzos y reavivó el interés en la tecnología de velas solares.

En el 75.º cumpleaños de Carl Sagan (9 de noviembre de 2009), la Planetary Society anunció planes ^{[ 101 ]} para realizar tres intentos más, denominados LightSail-1 , -2 y -3. ^{[ 102 ]} El nuevo diseño utilizará una vela de Mylar de 32 m² ^, desplegada en cuatro segmentos triangulares como NanoSail-D. ^{[ 102 ]} La configuración de lanzamiento es un formato CubeSat 3U y, a partir de 2015, estaba programado como carga útil secundaria para un lanzamiento en 2016 en el primer lanzamiento de SpaceX Falcon Heavy . ^{[ 103 ]}

" LightSail-1 " fue lanzado el 20 de mayo de 2015. ^{[ 104 ]} El propósito de la prueba fue permitir una verificación completa de los sistemas del satélite antes de LightSail-2. Su órbita de despliegue no fue lo suficientemente alta como para escapar del arrastre atmosférico de la Tierra y demostrar la verdadera navegación solar.

El satélite " LightSail-2 " fue lanzado el 25 de junio de 2019 y desplegado en una órbita terrestre baja mucho más elevada. Sus velas solares se desplegaron el 23 de julio de 2019. ^{[ 105 ]} Reingresó a la atmósfera el 17 de noviembre de 2022. LightSail-2 demostró con éxito la propulsión mediante vela solar. ^{[ 106 ]}

El Explorador de Asteroides Cercanos a la Tierra (NEA Scout) fue una misión desarrollada conjuntamente por el Centro de Vuelos Espaciales Marshall (MSFC) de la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), consistente en una nave espacial CubeSat de bajo costo y controlable con vela solar capaz de encontrarse con asteroides cercanos a la Tierra (NEA). ^{[ 107 ]} Cuatro brazos de 7 m (23 pies) se desplegarían, desplegando la vela solar de poliimida aluminizada de 83 m² (890 pies cuadrados). ^[ 108 ] [ 109 ] ^{[ 110 ] En 2015 , la NASA anunció} que había seleccionado el NEA Scout para lanzarlo como una de varias cargas útiles secundarias a bordo de Artemis 1 , el primer vuelo del vehículo de lanzamiento pesado SLS de la agencia . ^{[ 111 ]} Sin embargo, la nave se consideró perdida al no poder establecer comunicaciones poco después del lanzamiento en 2022. ^{[ 112 ]}     

El Sistema Avanzado de Vela Solar Compuesta (ACS3) de la NASA ^{[ 2 ]} es una demostración tecnológica de la tecnología de vela solar para futuras naves espaciales pequeñas. ^{[ 113 ]} Fue seleccionado en 2019 por la Iniciativa de Lanzamiento de CubeSats (CSLI) de la NASA para ser lanzado como parte del programa ELaNa . ^{[ 114 ]}

ACS3 consta de un pequeño satélite CubeSat de 12U (unidad) ^{[ 115 ]} (23 cm x 23 cm x 34 cm; 16 kg) que despliega una vela solar cuadrática de 80 metros cuadrados (860 pies cuadrados ) compuesta por una película de polietileno naftalato recubierta por un lado con aluminio para reflectividad y por el otro con cromo para aumentar la emisividad térmica. La vela se sostiene mediante un novedoso sistema de despliegue de cuatro brazos de polímero reforzado con fibra de carbono de 7 metros (23 pies) de longitud que se enrollan para su almacenamiento. ^{[ 116 ]}   

El ACS3 fue lanzado el 23 de  abril de 2024 en la misión Electron " Beginning Of The Swarm ". El ACS3 estableció contacto con éxito con las estaciones terrestres tras su despliegue a principios de mayo. ^{[ 117 ]} Los operadores de la misión confirmaron el correcto funcionamiento de la vela solar el 29  de agosto de 2024. ^{[ 118 ] [ 119 ]}

El 25  de octubre de 2024 se informó que "...un brazo de soporte doblado hizo que (ACS3) perdiera la dirección y girara sin control en el espacio". ^{[ 3 ]}

Una embarcación de demostración tecnológica, denominada Sunjammer , estaba en desarrollo con la intención de demostrar la viabilidad y el valor de la tecnología de navegación. ^{[ 120 ]} 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 lagrangiano _Sol -Tierra L1 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) . ^{[ 121 ]} Se esperaba que la demostración se lanzara en un Falcon 9 en enero de 2015. ^{[ 122 ]} Habría sido una carga útil secundaria, liberada después de la colocación del satélite climático DSCOVR en el punto L1. ^{[ 122 ]} Citando una falta de confianza en la capacidad de su contratista L'Garde para cumplir, la misión fue cancelada por la NASA en octubre de 2014. ^{[ 123 ]}      

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 iónico . El análisis in situ de las muestras recolectadas se habría realizado ya sea por contacto directo o utilizando un módulo de aterrizaje con un espectrómetro de masas de alta resolución. Un módulo de aterrizaje y el regreso de las muestras a la Tierra fueron opciones en estudio. ^{[ 124 ]} El Explorador de Asteroides Troyanos de Júpiter OKEANOS fue finalista para la segunda misión de gran tamaño del ISAS de Japón, que se lanzaría a finales de la década de 2020. Sin embargo, no fue seleccionado.

En agosto de 2019, la NASA otorgó al equipo de Solar Cruiser 400 000 dólares para estudios conceptuales de la misión de nueve meses de duración. La nave espacial contaría con una vela solar ^de 1672 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 solar y la velocidad de las eyecciones de masa coronal . ^{[ 125 ]} De haber sido seleccionada para su posterior desarrollo, se habría lanzado en 2025. Sin embargo, Solar Cruiser no fue aprobada para avanzar a la fase C de su ciclo de desarrollo y, posteriormente, se suspendió. ^{[ 126 ]}   

A diciembre de 2013 La Agencia Espacial Europea (ESA) ha propuesto una vela de desorbitación, denominada " Gossamer ", que se utilizaría para acelerar la desorbitación de pequeños satélites artificiales (de 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 tan solo 15 × 15 × 25 centímetros (0,49 × 0,49 × 0,82 pies) . Una vez desplegada, la vela se expandiría hasta alcanzar 5 × 5 metros (16 × 16 pies) y utilizaría una combinación de la presión solar sobre la vela y el aumento de la resistencia atmosférica para acelerar la reentrada del satélite . ^{[ 50 ]}      

El proyecto Breakthrough Starshot, bien financiado y anunciado en 2016, tenía como objetivo construir 1000 nanonaves de vela solar que transportaban cámaras en miniatura y propulsarlas mediante láseres terrestres hasta Alfa Centauri al 20 % de la velocidad de la luz, un viaje de 20 años. ^{[ 127 ] [ 128 ] [ 129 ]} En 2025, se informó que no había planes para continuar el proyecto. ^{[ 130 ]}