Publicado: 
08 de enero de 2002

¿Hasta dónde llega la Luz Solar?

La energía solar es una abundante fuente de potencia para las naves espaciales que navegan por el sistema solar interior. Pero, ¿Hasta qué distancia de nuestra estrella pueden seguir funcionando las celdas fotoeléctricas?

NASA

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Enero 8, 2002:  Intente lo siguiente: Cierre sus ojos e imagine a la Estación Espacial Internacional (International Space Station ó ISS), iluminada por el Sol y brillando mientras gira alrededor de nuestro planeta.

¿Cómo visualizas la EEI? La persistente imagen en su mente, está probablemente dominada por unas amplias y hermosas alas -- los impresionantes paneles solares de la estación.

No es extraño que los paneles solares dominen el perfil de la estación. En la EEI (así como en la Tierra), la energía solar es, al fin de cuentas, la que suministra potencia a todo lo que sucede. Nuestra estrella, llamada Sol, irradia una potencia enorme: una emisión constante de 4 x 1023 kilovatios (KW), ¡que es un 4 seguido de 23 ceros! Las celdas fotovoltaicas, que convierten la luz del Sol en electricidad, necesitan detectar solamente una pequeña fracción de ese total para energizar la estación.

Arriba: La Estación Espacial Internacional (International Space Station) en diciembre del 2001. Crédito: tripulación de la misión STS-108.

Pero no todas las naves espaciales permanecen cerca de la Tierra, donde la luz solar es abundante. Muchas sondas de la NASA viajan más allá de la órbita de nuestro planeta. Y conforme lo hacen, el Sol se hace cada vez más distante y tenue. Allá, en algún lugar, la potencia solar deja de ser una fuente útil de energía para la nave espacial. ¿Pero dónde exactamente?

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Esto es lo que los constructores de naves espaciales en NASA quisieran saber: ¿Hasta dónde llega la luz solar?

Las celdas solares de la estación espacial, desarrolladas hace varias décadas, convierten en electricidad un 14% de la energía del Sol que llega hasta ellas, y las modernas celdas de separación multibanda (multiibandgap, en inglés), que convierten la luz de diferentes partes del espectro en energía eléctrica, alcanzan eficiencias de aproximadamente un 30%. Estos dispositivos funcionan bastante bien en el radiantemente iluminado sistema solar interior, pero se requerirán celdas más eficientes y paneles de mayor tamaño conforme las naves espaciales viajen hasta lugares donde los fotones solares son escasos. En los límites exteriores del sistema solar, por ejemplo, aún la habilidad de convertir fotones individuales en electricidad sería importante.

"La luz del Sol decrece en intensidad con respecto a la distancia por un factor de 1/r2, donde r es la distancia al Sol", explica Geoff Landis, un científico del Centro de Investigaciones Glenn (Glenn Research Center) de la NASA. "Esto significa que un panel de 1 metro cuadrado, que produce unos 400 vatios a una distancia de 1 UA, tendría que tener un área de 25 metros cuadrados a la distancia de Júpiter -- y casi 2000 metros cuadrados en Plutón para producir la misma potencia". (Nota: Una unidad astronómica, ó UA, es la distancia media entre la Tierra y el Sol. 1 UA equivale a 150 millones de kilómetros).

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Izquierda: El Sol visto desde el distante Plutón es solamente una estrella más en el cielo nocturno, aunque ciertamente, la más brillante. El artista espacial (y físico del espacio) Dan Durda pintó esta vista desde el noveno planeta.

Landis y sus colegas de la Rama de Fotovoltaicos y Ambiente Espacial (Photovoltaics and Space Environment Branch) del centro Glenn, están explorando nuevas maneras de aprovechar la luz solar, incluyendo celdas solares más eficientes, el envío de energía por rayo láser a las naves espaciales distantes, y sistemas de energía solar para la Luna y Marte. "El uso de la energía solar es un campo de estudio complejo", dice Landis. El encontrar soluciones requiere que mantengamos un balance entre factores tales como la distancia, el peso, la energía de las diferentes bandas del espectro electromagnético, y los materiales que tenemos disponibles actualmente".

"Usando las tecnologías de hoy en día", dice, "el 'límite' de la luz del Sol hasta el cual podemos llegar es de unas cuatro unidades astronómicas medidas desde el Sol, una distancia donde la luz solar es alrededor de dieciséis veces menos intensa en comparación a un punto cerca de la Tierra". Esto es más allá de la órbita de Marte (1.5 UA), pero más cerca del Sol que Júpiter (5.2 UA).

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" Con las tecnologías del mañana, esperamos empujar ese límite a una mayor distancia dentro del sistema solar", dice. "Los colectores solares del futuro, por ejemplo, podrían usar avanzadas películas delgadas -- casi como el plástico para envolver alimentos -- y celdas solares muy livianas, que puedan desenrollarse hasta llegar a medir un acre o más en tamaño. En vez de una nave espacial que lleve consigo paneles solares, tendríamos paneles solares que llevarían consigo a la nave".

Este tipo de velas expansibles sería también blanco para las veloces partículas que componen el polvo espacial, de modo que necesitarían ser elaboradas con materiales resistentes a las punzadas, o bien con materiales que se auto restauren. ¡Un reto más para los constructores de naves espaciales!.

Arriba: Un concepto de la vela espacial, tomado del artículo de 1999 de Science@NASA titulado "Izando las Velas Hacia las Estrellas ." (en inglés).

Hasta la fecha, la mayor distancia del Sol a la que se ha aventurado a viajar una nave espacial alimentada por energía solar, es de 2.35 UA -- un récord establecido el pasado octubre por la sonda Stardust de la NASA. Stardust extenderá este récord cada día hasta abril del 2002, cuando alcance una distancia máxima al Sol de unas 2.72 UA, en camino hacia el cometa Wild 2. Los paneles solares de la Stardust se encuentran produciendo actualmente más energía de lo esperado, tal vez debido a que las celdas fotovoltaicas operan más eficientemente en el frío ambiente del espacio profundo, que en los laboratorios de la Tierra. Nadie está seguro; este es aún territorio inexplorado.

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Arriba: (izquierda) Una composición artística de la sonda Stardust al llegar a su encuentro con el cometa Wild 2 en el año 2004. Los paneles solares de la nave son prominentes en esta ilustración. (derecha) La órbita de la nave espacial, cortesía de la página de Internet del JPL (Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA) "¿Dónde se encuentra la Stardust en este momento?".

No tan lejana del Sol como la Stardust, la nave espacial experimental Deep Space 1 (Espacio Profundo 1) de la NASA recientemente realizó pruebas con un "concentrador solar" -- 720 lentes que enfocaron la luz del Sol hacia un conjunto de 3600 celdas solares. Deep Space 1 fué la primera sonda alimentada con energía solar que dependió enteramente de celdas de separación multibanda de triple juntura. El pequeño pero innovador sistema generó 2500 vatios: suficiente para dar energía a tres hornos de microondas, y más que suficiente para suministrar potencia a la turbina iónica de la nave.

Eventualmente, estos avances nos ayudarán a enviar la energía solar hacia el espacio profundo -- tal vez hasta más allá del propio sistema solar.

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"A largo plazo, los paneles solares no tendrán que depender del Sol", dice Landis. "Estamos investigando el concepto del uso de lásers para lanzar fotones hacia los paneles solares. Si construimos un láser lo suficientemente poderoso, y si podemos apuntar con precisión el rayo, entonces ya no existiría realmente el límite de la luz solar -- con una lente suficientemente grande, podríamos enviar rayos de luz a una sonda espacial que se encuentre ¡a la mitad del camino hacia Alfa Centauro!".

Derecha: Este concepto artístico muestra una estación de Tierra enviando rayos de energía a una nave espacial distante. [más Información]

Enviando rayos de energía a blancos que se encuentren en órbita alrededor de la Tierra, o que se encuentren en la Luna o en Marte y otros planetas -- o a una distante nave espacial -- es material de Ciencia Ficción. ¡ Lo cual está precisamente en la esfera de acción de Geoff Landis!. ¡El es también un escritor de ciencia ficción, ganador de los premios Hugo y Nebula! Como científico, él y sus colegas de la NASA están en la tarea de llegar cada día al límite de la luz del Sol, viendo como la ficción se transforma cierta y rápidamente en realidad.

Enlaces a la Red (en inglés y español)

La Oficina de Energía y Propulsión del Centro de Investigaciones Glenn de NASA (GRC), maneja el desarrollo de tecnologías de potencia para cubrir las necesidades de todos los proyectos de la NASA.

Las Celdas Solares Multi-juntura aprovechan mayor cantidad de energía solar que los viejos modelos de una sola juntura. (DOE)

Energía Solar en Marte -- (GRC) Los vehículos de aterrizaje y exploración en Marte pueden también utilizar energía solar.

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Energía Solar en la Luna -- (GRC) un artículo de Geoff Landis.

Geoffrey A. Landis -- un investigador científico y miembro de la Rama de Fotovoltaicos y Ambiente Espacial (Photovoltaics and Space Environment Branch), Centro de Investigaciones John Glenn (John Glenn Research Center) de la NASA.

Derecha: Un conjunto fotovoltaico auto desplegable sobre la Luna. Concepción artística por Les Bossinas, Centro de Investigaciones Lewis (Lewis Research Center) de la NASA.

¡Energía Eléctrica para la EEI! -- (Ciencia@NASA) La energía eléctrica es el recurso más valioso en la Estación Espacial.

¿Cómo Funcionan las Celdas Fotovoltaicas? -- (Ciencia@NASA) Este texto de Gil Knier complementa el presente artículo

La nave Deep Space 1 (Espacio Profundo 1) utilizó concentradores solares para obtener el máximo provecho de los arreglos fotovoltaicos.

La sonda Stardust de la NASA se encuentra en camino hacia el cometa Wild 2. Esta es la nave espacial más distante alimentada por el Sol.

Informes de Situación de la Sonda Stardust:

Termofotovoltaicos -- La conversión de radiación electromagnética proveniente de fuentes térmicas (no solares) a electricidad, se conoce como generación termofotovoltaica de potencia.

Una Nueva Estrella en el Cielo -- (Ciencia@NASA) Las alas solares ayudan a hacer de la EEI uno de los objetos más brillantes en el cielo nocturno

Energía para el Futuro -- (GRC) Lista de hechos sobre sistemas de potencia en la EEI.

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