La sonda IKAROS y la vela solar

Julio Gallardo

Julio Gallardo

AERTEC Solutions / RPAS Department

IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) fue un satélite-demostrador diseñado por la JAXA (Japanese Aerospace Exploration Agency) con el fin de demostrar las últimas técnicas de propulsión mediante vela solar. En 2010 comenzó esta misión con rumbo hacia el planeta Venus para probar este nuevo concepto que proporcionaba tanto potencia eléctrica para equipos como potencia propulsiva.

Los principales objetivos de IKAROS fueron: el despliegue de una vela solar de gran tamaño (200 metros cuadrados), la generación de potencia a través de las células solares ubicadas en la membrana de la vela, demostración de la viabilidad de la técnica de propulsión por fotones, así como la demostración de técnicas GNC (guiado, navegación y control) que direccionen las pequeñas pero constantes aceleraciones que provocan este tipo de sistemas.

La sonda Ikaros ha sido el primer vehículo espacial que ha demostrado la viabilidad de la impulsión y la generación de potencia mediante vela solar.

El concepto de vela solar es análogo al de la vela de un barco salvo que, en lugar de generar impulso aprovechando la energía cinética del aire sobre la tela, utiliza la colisión de fotones emitidos por el Sol sobre una membrana reflectante. Según esto, cuanta más cantidad de fotones sea capaz de reflejar la membrana de la vela, más empuje recibirá la aeronave. Debido a que este empuje es muy reducido, las dimensiones de la membrana tienen que ser grandes para poder impulsar un vehículo espacial. Con esta tecnología un sistema podría desplazarse sin consumir combustible mientras que sea capaz de generar la potencia suficiente y pueda orientar la vela en la dirección adecuada para seguir una determinada trayectoria.

En realidad, esta idea nació desde el punto de vista teórico hace varias décadas, pero se encontró con múltiples obstáculos técnicos tales como los materiales a utilizar, la manera de desplegar la membrana o el control de actitud la misma. Para solventar algunos de estos problemas en la misión Ikaros, la JAXA diseñó un concepto de vela solar de forma cuadrada y sin estructura rígida de soporte, unida al cuerpo del satélite mediante cuerdas. Para el despliegue de la vela, se utilizó la fuerza centrífuga generada por cuatro masas (en total 2Kg) ubicadas en cada vértice de la membrana. Esa fuerza se mantuvo, una vez esta fase de despliegue hubo finalizado, para mantener la forma de la vela. Es por ello que el control de actitud fue uno de los sistemas más críticos de la misión. Los medios tradicionales (propulsores químicos) inducían movimientos oscilatorios de la vela con respecto al cuerpo central, y el control mediante fotones también era complejo debido a que la membrana no permanecía rígida frente a las fuerzas de presión solar.

La membrana, cuyo peso rondaba los 14Kg, estaba formada por cuatro partes trapezoidales en las que se instalaron células solares capaces de generar hasta 500W de potencia ocupando únicamente un 5% de la superficie de la membrana. También contaba con un sistema de detección de polvo y un equipo de control de reflectividad. El resto de la superficie estaba ocupada por una capa de poliimida (de 7.5µm de espesor) recubierta por una capa de aluminio vaporizado (de 80nm de espesor). La capa de poliimida confería a la vela alta resistencia térmica, química y mecánica a la vez que una masa muy ligera. La capa de aluminio se encargaba de reflejar el máximo de luz para conseguir empuje.

La sonda IKAROS tenía una masa total de 308Kg y estaba formada por un cuerpo de forma cilíndrica con un diámetro de 1.6m y una altura de 0.9m. Fue lanzada el 20 de mayo de 2010 desde el Tanegashima Space Center, una de las instalaciones de desarrollo e investigación espacial de Japón. El 10 de junio del mismo año se completó el despliegue de la membrana y el 23 de julio se comprobó que el sistema de control de actitud funcionaba a la perfección y que el satélite estaba siendo propulsado por el viento solar. Siete meses más tarde, en diciembre de 2010, la JAXA dio por finalizados con éxito los experimentos que IKAROS debía llevar a cabo y entró en modo hibernación. Sin embargo, se decidió que la misión no acabase en ese momento. En agosto de 2013, el satélite seguía ganando velocidad (+400m/s) de la vela solar. El 23 de abril de 2015, tras casi 5 años de su misión nominal, IKAROS despertó por cuarta y última vez, transmitiendo los últimos datos, que serían importantes para diseñar mejor el modelo de navegación espacial mediante vela. El día 21 de mayo del mismo año, la JAXA no pudo establecer comunicaciones, dándose por finalizada la misión.

Hasta el día de hoy, IKAROS ha sido el único vehículo espacial capaz de generar potencia propulsiva mediante vela solar como para poder desplazarse entre dos planetas. Es por esto que, el éxito de IKAROS, no radica únicamente en la velocidad alcanzada por el satélite o en los prometedores resultados obtenidos, si no en el número de posibles líneas de investigación que puedan llegar a surgir a partir de esta misión y las posibles misiones futuras que tratarán de avanzar en el campo de la propulsión espacial libre de combustibles.

La JAXA, Agencia Aeroespacial de Exploración Japonesa, esta hpy en vanguardia en la impulsión de vehñiculos espaciales mediante vela solar. Esta agencia nació el día 1 de octubre de 2003, fruto de la unión de tres organizaciones aeroespaciales japonesas: el ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), el NAL (National Aerospace Laboratory) y el NASDA (National Space Development Agency of Japan). Se creó como agencia central para dar soporte a todo el desarrollo aeroespacial del país.

La JAXA ha conseguido llevar al espacio a ocho astronautas japoneses y ha participado en diversos programas internacionales, entre los que se encuentra la ISS (International Space Station), para la que desarrolló el laboratorio KIBO o módulo de experimentación japonés. Actualmente se encuentra inmersa en programas colaborativos de exploración espacial como el programa Gateway, cuyo objetivo es poner en órbita lunar una estación habitada por humanos ininterrumpidamente; el programa SLIM (Smart Lander for Investigating de Moon), cuyo objetivo es demostrar un sistema de alunizaje de alta precisión; o el MMX (Martian Moon Exploration) que será capaz de traer de vuelta a la Tierra las primeras muestras de Phobos, la luna más grande de Marte.

 

Ikaros probe

 

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