Navigare nello spazio potrebbe sembrare qualcosa di fantascientifico, ma il concetto non è più limitato ai libri o al grande schermo. Nel mese di aprile, una tecnologia di vela solare di prossima generazione, nota come Advanced Composite Solar Sail System, verrà lanciata a bordo del razzo Electron di Rocket Lab dal Launch Complex 1 della società a Mahia, in Nuova Zelanda. La tecnologia potrebbe far avanzare i futuri viaggi spaziali ed espandere la nostra comprensione del Sole e del Sistema Solare.
Le vele solari utilizzano la pressione della luce solare per la propulsione, inclinandosi verso o lontano dal Sole in modo che i fotoni rimbalzino sulla vela riflettente per spingere un veicolo spaziale. Ciò elimina i sistemi di propulsione pesanti e potrebbe consentire missioni di maggiore durata e a basso costo. Sebbene la massa sia ridotta, le vele solari sono state limitate dal materiale e dalla struttura dei bracci, che agiscono in modo molto simile all'albero di una barca a vela. Ma la NASA sta per cambiare le regole del gioco delle vele del futuro.
Il nuovo "marinaio leggero" della NASA
La dimostrazione del sistema Advanced Composite Solar Sail utilizza un CubeSat da dodici unità (12U) costruito da NanoAvionics per testare un nuovo braccio composito realizzato con polimeri flessibili e materiali in fibra di carbonio che sono più rigidi e leggeri rispetto ai precedenti modelli di bracci. L'obiettivo principale della missione è dimostrare con successo l'implementazione del nuovo braccio, ma una volta implementato, il team spera anche di dimostrare le prestazioni della vela.
Come una barca a vela che gira per catturare il vento, la vela solare può regolare la sua orbita inclinando la vela. Dopo aver valutato il dispiegamento del braccio, la missione testerà una serie di manovre per modificare l'orbita del veicolo spaziale e raccogliere dati per potenziali missioni future con vele ancora più grandi.
"I bracci tendevano ad essere pesanti e metallici o realizzati in composito leggero con un design ingombrante, nessuno dei quali funziona bene per i piccoli veicoli spaziali di oggi. Le vele solari hanno bisogno di bracci molto grandi, stabili e leggeri che possano ripiegarsi in modo compatto", ha affermato Keats Wilkie, il principale investigatore della missione presso il Langley Research Center della NASA a Hampton, in Virginia. "I bracci di questa vela sono a forma di tubo e possono essere schiacciati e arrotolati come un metro a nastro in un piccolo pacchetto offrendo allo stesso tempo tutti i vantaggi dei materiali compositi".
Dopo aver raggiunto la sua orbita sincrona con il Sole, a circa 1.000 chilometri sopra la Terra, il veicolo spaziale inizierà a srotolare i suoi bracci compositi, che coprono le diagonali della vela polimerica. Dopo circa 25 minuti, la vela solare si dispiegherà completamente, misurando circa 80 metri quadrati – circa la dimensione di sei parcheggi. Le telecamere montate sul veicolo spaziale cattureranno il grande momento della vela, monitorandone la forma e la simmetria durante il dispiegamento.
Grazie alla sua grande vela, il veicolo spaziale potrebbe essere visibile dalla Terra se le condizioni di illuminazione sono giuste. Una volta completamente espanso e con il corretto orientamento, il materiale riflettente della vela sarà luminoso come Sirio, la stella più luminosa nel cielo notturno.
"Sette metri di bracci dispiegabili possono arrotolarsi in una forma che sta nella tua mano", ha affermato Alan Rhodes, ingegnere capo della missione presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley, in California. "La speranza è che le nuove tecnologie verificate su questo veicolo spaziale ispirino altri a usarle in modi che non abbiamo nemmeno considerato".
Abilitare le future vele solari
Attraverso il programma Small Spacecraft Technology della NASA, il successo del dispiegamento e del funzionamento dei bracci compositi leggeri della vela solare ne dimostreranno la capacità e apriranno la porta a missioni su scala più ampia sulla Luna, su Marte e oltre.
Questo design del braccio potrebbe potenzialmente supportare future vele solari grandi fino a 500 metri quadrati, circa le dimensioni di un campo da basket, e la tecnologia risultante dal successo della missione potrebbe supportare vele fino a 2.000 metri quadrati.
"Il Sole continuerà a bruciare per miliardi di anni, quindi abbiamo una fonte di propulsione illimitata. Invece di varare enormi serbatoi di carburante per le missioni future, possiamo varare vele più grandi che utilizzano il "carburante" già disponibile", ha affermato Rhodes. "Dimostreremo un sistema che utilizza questa abbondante risorsa per compiere i prossimi passi da gigante nell'esplorazione e nella scienza".
Poiché le vele sfruttano l'energia del Sole, possono fornire una spinta costante per supportare missioni che richiedono punti di osservazione unici, come quelli che cercano di comprendere il nostro Sole e il suo impatto sulla Terra. Le vele solari sono state a lungo una funzionalità desiderata per le missioni che potrebbero trasportare sistemi di allerta precoce per il monitoraggio del meteo solare. Le tempeste solari e le espulsioni di massa coronale possono causare danni considerevoli sulla Terra, sovraccaricando le reti elettriche, interrompendo le comunicazioni radio e colpendo aerei e veicoli spaziali.
I bracci compositi potrebbero avere un futuro anche oltre la navigazione solare: il design leggero e il sistema di imballaggio compatto potrebbero renderli il materiale perfetto per costruire habitat sulla Luna e su Marte, fungendo da strutture incornicianti per edifici o pali per antenne compatti per creare un relè di comunicazione per gli astronauti che esplorano la superficie lunare.
"Questa tecnologia stimola l'immaginazione, reinventando l'intera idea di vela e applicandola ai viaggi nello spazio", ha affermato Rudy Aquilina, project manager della missione della vela solare presso il NASA Ames. "Dimostrare le capacità delle vele solari e dei bracci compositi leggeri è il passo successivo nell'utilizzo di questa tecnologia per ispirare le missioni future".