¿Qué tan realista es la vela solar de 1 kg/km² en "Death's End"?

Una vela solar con una densidad de área de$1~\mathrm{kg}/\mathrm{km}^2 = 1~\mathrm{mg}/\mathrm{m}^2 =0.001~\mathrm{g}/\mathrm{m}^2$es imposible por la ciencia de materiales conocida porque el grafeno tiene una densidad de área de$0.77~\mathrm{mg}/\mathrm{m}^2$.

Al ser una sola capa atómica de un átomo de luz, el grafeno es el límite inferior absoluto para la densidad de área de casi todo lo que se puede construir, incluidas las velas solares. Es poco probable que una sola capa atómica como el grafeno funcione bien como vela solar. Aquí están los problemas:

1. El grafeno es casi transparente: ( solo el 2% de la luz visible es bloqueada por una sola capa)
2. Una sola capa de grafeno se degradaría rápidamente por la radiación en el espacio
3. Grandes láminas de grafeno colapsarían sobre sí mismas sin apoyo. Actualmente no existe tecnología para construir dichos soportes y es posible que no sean posibles para esta densidad de área.

Hay un extenso informe resumido sobre posibles mejoras de los materiales de las velas solares:

"Velas solares ultradelgadas para viajes interestelares: informe final de la fase I",
diciembre de 1999, Dean Spieth, Dr. Robert Zubrin

Al leer este informe hay que tener en cuenta que solo buscan las propiedades de la vela en sí, sin tener en cuenta los elementos estructurales ni la carga útil. Sin embargo, es un buen resumen de cómo se podría mejorar la lámina de mylar de última generación actual.

Se resumen de la siguiente manera:

• Mejora de 25X al eliminar el sustrato de plástico, dejando una capa de
aluminio de ~100 nm, • 300X al reducir el grosor de la vela de aluminio a ~4 a 5 nm,
• 500-5000X al perforar la vela de aluminio, posible a corto plazo, y
• 10 000 -100,000X mediante el dopaje de nanotubos de carbono, hasta bien entrado el próximo siglo.

En este sentido, el primer paso es deshacerse del material plástico de soporte que constituye la mayor parte del mylar. Obviamente, una capa de aluminio delgada de 100 nm en sí misma no es lo suficientemente estable para ser transportada y desplegada, por lo que sugieren usar un material plástico que se rasgue después del despliegue, por ejemplo, destruido por la radiación UV. Parte del peso ahorrado debe agregarse nuevamente en forma de materiales de refuerzo, pero los materiales actuales a base de fibra de carbono deberían poder hacer el trabajo con menos peso.

El segundo paso es reducir el grosor del aluminio: encontraron una "lámina" de 5 nm de grosor como la óptima en términos de aceleración por masa. Se vuelve aproximadamente un 50% transparente en este punto, pero la masa reducida más que equilibra la reflectividad reducida. Nuevamente, se debe agregar material adicional para mantener estable esta lámina.

El tercer y radical paso es no usar láminas en absoluto, sino una cuadrícula muy escasa. Recuerde que las estructuras muy por debajo de la longitud de onda de la luz no se pueden resolver, y una cuadrícula de cables de 5 nm separados por 200 nm tiene casi las mismas propiedades ópticas que una lámina sólida, al 1% del peso. La producción de un material de este tipo a pequeña escala debería ser posible hoy en día, pero fabricar una vela del tamaño de un kilómetro que pueda desplegarse en el espacio profundo será un gran desafío.

Si estos materiales se pueden fabricar en una vela del peso dado sigue siendo una pregunta abierta, pero al menos la parte de la lámina que utiliza la tecnología disponible hoy en día a pequeña escala podría estar en el rango de 10 mg/m².

Todos ustedes deben recordar que NIAC, al menos en el momento del informe, no financió contratos que fueran fáciles de hacer ni simplemente un desafío de ingeniería: querían conceptos lejanos, que no se pueden lograr hoy, pero que no violan ninguna ley conocida. de la física

Sí, analizamos las propiedades mecánicas estructurales de los materiales en función de la temperatura, así como la masa de la carga útil en el informe. Cindy, o Bob, antes de que me uniera al equipo en torno al Y2K, tuvo la brillante idea de considerar las nanorredes de carbono, que se pueden fabricar a pequeña escala, y generalmente se obtienen propiedades mecánicas extremadamente altas utilizando nanotecnología o metales electroformados. El carbono y los metales son conductores, por lo que es poco probable que se produzca un efecto SGEMP; De manera similar, los rayos cósmicos y las partículas cargadas tienen poco efecto sobre los materiales conductores porque ya tienen electrones libres. Y no ensamblaría una estructura de carbono en LEO debido a la erosión del oxígeno atómico, así como al aumento de los problemas de desechos orbitales, pero una vez por encima de LEO (digamos MEO o GEO) no es un problema (pero sigue siendo un desafío de fabricación). Una malla conservará su forma incluso después de un gran número de impactos de micrometeroides. El gran problema con una gran vela solar, si se puede ensamblar en órbita alta, es cómo dirigirla una vez que deja la influencia de la presión de la luz solar. Podría ser posible dirigirlo con un pequeño motor de plasma o con el calor de un RTG pequeño, ya que parece que los RTG afectaron una ligera desviación de la trayectoria de la nave espacial Voyager.

(para su información, en un tema diferente, se requerirían varias "velas solares" del tamaño de Alaska en MEO para bloquear temporalmente el sol durante aproximadamente la mitad de una órbita durante unos minutos sobre cualquier masa terrestre y, por lo tanto, compensar el calentamiento global, pero probablemente no sea práctico construir algo de esa gran escala y mucho menos mantenerlo en órbita). - Dean Spieth, retirado de Ball Aerospace