¿Puede un satélite funcionar como un radiómetro?

El dibujo muestra un radiómetro de Crookes.

Parecen girar muy bien incluso con un poco de luz solar. La explicación común es una ligera presión sobre las paletas negras.

Desafortunadamente, no funcionan de esa manera. Los fotones que rebotan en el lado blanco transfieren más impulso que los absorbidos por el negro: si el mecanismo fuera una presión ligera, girarían hacia el otro lado. Una pista sobre el mecanismo correcto es que no funcionan en un vacío total. Probablemente tenga algo que ver con el gas residual y el lado negro que está más caliente.

Los satélites se encuentran en un vacío mucho más profundo que el bulbo de un radiómetro de Crookes. Cualquiera que sea el mecanismo, no será grande para un satélite.

Pero todavía existe cierto potencial para usar una presión ligera para varias operaciones. Ha habido experimentos con varios tipos de "velas" para recolectarlo y usarlo.

Las sondas de sobrevuelo Mariner 3 y 4 Mars tenían paletas en ángulo en los extremos de los brazos de sus paneles solares que proporcionaban una estabilización pasiva de la nave espacial de la presión de la radiación solar:

Esto es exactamente lo que llamamos una vela solar . Esto funciona para el mantenimiento de la órbita si la órbita no es demasiado baja. Si es demasiado bajo, el impulso total (fuerza por tiempo) perdido para arrastrar sobre una órbita es mayor que el impulso de presión de luz ( https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pression ) sobre una órbita, y la órbita aún decae, sólo que más lento.

Las velas solares tienen la desventaja de que requieren un área grande para producir mucha fuerza. Si giras una vela perfectamente reflectante hacia el sol a una distancia de 1 UA, la fuerza que recibes en la vela es de 4,5 millonésimas de Newton por metro cuadrado.

La fuerza de arrastre está dada por$Fd = \frac{1}{2} C_d A \rho V^2$, donde$C_d$es el coeficiente de arrastre (para velocidades orbitales y densidades atmosféricas suele estar muy cerca de 2), A es el área proyectada, ρ es la densidad de masa atmosférica y V es la velocidad. Si ese mismo metro cuadrado está de frente al vector velocidad a una altitud de 150 km, donde la densidad atmosférica es aproximadamente$2 \cdot 10^{-9} kg/m^3$y la velocidad de la órbita es de ~7820 m/s, la fuerza de arrastre generada sería de ~0,122 N, casi cinco órdenes de magnitud más alta que la fuerza de presión de la luz solar.

Por supuesto, la vela solar no siempre está de frente al sol, ni de frente al vector de velocidad, pero los promedios en una órbita serían alrededor de 1/2 a 1/4 de los valores de frente. La vela solar sufre por estar a la sombra de la Tierra una fracción significativa de su órbita (a menos que esté en una órbita casi polar que está de frente al sol), por lo que su fuerza promedio sobre una órbita es una fracción más pequeña del valor frontal. que para arrastrar, ¡arrastrar nunca se apaga! Así que el mantenimiento de la órbita con una vela solar ciertamente no funcionaría a altitudes tan bajas.

¿podría un satélite tener una vela rígida como el lado blanco para dejar pasar la luz y como el lado negro capturar la luz para proporcionar suficiente fuerza para mantenerla en órbita?

No realmente.

Ignoremos el punto de que el radiómetro de Crooke funciona con diferentes principios. Sí, puede usar la presión solar para acelerar su nave, y sí, cambiar el color de la superficie variará la magnitud del efecto.

1. Las velas solares comienzan a tener sentido por encima de los 1000 km; por debajo de esa altitud, la resistencia atmosférica supera la presión de la luz. Y el tiempo de decaimiento de un satélite a 1000 km es de cientos y cientos de años. Entonces, donde esto podría funcionar, ya no es necesario .

2. Mecánica orbital trabajando en tu contra. Cualquier aceleración progresiva del satélite extiende la órbita en el lado opuesto del cuerpo central. Si continúa acelerando durante sus pases en un lado, la órbita crece inicialmente en el otro lado: su área de aceleración se convierte en periapsis, la operación pasiva del lado oscuro en la apoapsis. Pero la mecánica orbital hace que el tiempo de vuelo cerca del apoapsis sea más largo que cerca del periapsis, cuanto más excéntrica sea la órbita, más drástica la diferencia. Y el lado de "operación oscura" de su sonda no será completamente pasivo, actuará con aproximadamente la mitad de la fuerza del lado de aceleración, sino que actuará en dirección retrógrada. ¡Lo que significa que tu periápside comienza a caer! La excentricidad crece, el periápside cae más rápido y pronto el satélite se quema, desorbitado.

En cierto modo, sí: el satélite de la Academia Naval de EE. UU. en ParkinsonSAT se diseñó con cuatro caras asimétricas, con paneles solares desplazados hacia un lado y cinta reflectante ocupando el espacio restante, creando un momento angular de presión de radiación solar, y esto ha logrado mantener la satélite girando a una velocidad de varias RPM durante años. Aparentemente, también han usado este diseño en el pasado. Aunque el principio es diferente al de un radiómetro, el resultado es el mismo: ¡girar!

En cuanto a usarlo para cambiar órbitas, eso no suena ni remotamente práctico.

Un radiómetro de Crookes fue uno de mis regalos más memorables cuando era niño. El hecho de que la luz del sol empujara el lado negro más que el lado blanco de cada paleta demostraba que los átomos existen, o al menos eso decía la parte posterior del paquete. ¡Estaba viendo átomos! Cambió mi vida.

Como señala @BobJacobsen , estos muchachos requieren gas a baja presión para funcionar, y necesitan que el gas esté prácticamente en reposo con respecto a la nave espacial; de lo contrario, las fuerzas aerodinámicas dominarían y la configuración se detendría cuando se produzcan torques debido al arrastre en cada paleta. equilibrado.

Entonces, esto no funcionaría en una atmósfera de baja densidad de un planeta en el que la nave espacial estuviera orbitando, tendría que estar más o menos en reposo en un gas de baja presión y las fuerzas tendrían que ser menores que la presión del viento solar.

No creo que haya una situación en ningún lugar del espacio donde esto funcione.

Sin embargo, en la superficie de un cuerpo con una atmósfera de muy baja presión, como un gran asteroide o un pequeño planeta o la Luna, la demostración podría funcionar. Pero la pregunta es sobre una nave espacial o propulsión, por lo que esto no se aplica.

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abajo: Imagen (GIF) de un radiómetro de Crookes, de aquí .