Navigație spațială cu energie solară

SE PREGĂTEȘTE DE LANSARE O ASTRONAVĂ CU PÂNZE SOLARE, ÎNCHIPUITĂ DE ASTRONOMI DE LA JOHANNES KEPLER LA CARL SAGAN.

ȘȘTIȚI ÎN CE FAZĂ ESTE LUNA ACUM? Cei mai mulți habar nu au; în ziua de azi, nu prea e nevoie să știm. Dar pe când nu existau lumini pe stradă și becuri peste tot, lumea urmărea cu grijă cerul nopții. Așa că, în 1607, când a apărut o cometă foarte luminoasă, oamenii au fost speriați și fascinați.

Astronomul german Johannes Kepler s-a gândit mult la ce a văzut în anul acela. A conchis că, probabil, coada spectaculoasă a corpului căruia azi îi spunem cometa Halley (numită după savantul englez Edmond Halley, care i-a calculat orbita) apărea pentru că razele soarelui evaporau sau desprindeau cumva material de pe suprafața cometei. Kepler și-a imaginat explorarea peisajelor stelare: „Dacă se vor afla corăbii sau pânze potrivite pentru vânturile cerurilor, vor fi și oameni care nu se vor da în lături nici măcar de la întinderea aceasta vastă”, scria el.

În fond, în secolele al XVI-lea și al XVII-lea, corăbiile erau destul de obișnuite și le mâna vântul, creat și el, în

parte, de căldura soarelui. Kepler a trăit într-o perioadă istorică în care, mulțumită lui Nicolaus Copernic, omenirea a înțeles că se află pe o planetă care orbitează în jurul unei stele. De aceea, poate era firesc să-și închipuie oameni navigând prin cerurile înstelate.

Mie, când asistam la cursurile de astronomie ale lui Carl Sagan la Universitatea Cornell în 1977, navigația prin spațiu mi se părea absolut naturală. Sagan descria în culori vii un vehicul care să funcționeze sub constrângerile gravitației și ale mecanicii orbitelor, dar care să plutească printre stele. Ar fi navigat pe oceanul cosmic, mânat de forța luminii stelare, în vastitatea spațiului.

Visul conturat de profesorul nostru devine realitate mulțumită celui mai mare ONG spațial, Planetary Society, co-fondată de Sagan în 1980 (și condusă în prezent de mine). În iunie 2015, societatea și-a testat propriul vehicul spațial, finanțat de public și alimentat cu lumină, LightSail 1. Când va pleca la tipar articolul acesta, noi ne vom pregăti de lansarea din toamnă a succesorului său, LightSail 2, care va fi plasat pe orbita terestră de racheta SpaceX Falcon Heavy.

LA VREO TREI SECOLE după primele scrieri ale lui Kepler despre navigația solară, cercetătorii au descoperit că lumina este energie pură – proprietatea aceea din natură care face lucrurile să funcționeze, să se deplaseze sau să se întâmple. În ziua de azi, știm exact câtă energie conține fiecare pachet de lumină, numit foton. Fotonii nu au masă deloc, dar conțin energie cinetică.

Probabil ne dăm seama cu toții că bila de bowling în mișcare are energie cinetică, pe care o transferă popicelor. Când le lovește, ele cad și tu acumulezi puncte. Mai mult, dacă ai avea ghinionul să te izbească în coaste o minge de bowling (cum am pățit eu la o emisiune pentru copii), i-ai simți energia cinetică foarte intens.

Dimpotrivă, energia cinetică a luminii este un concept străin de experiența noastră obișnuită: când ieși la soare, nu simți că lumina lui ar avea forța să te împingă de colo-colo. Puterea luminii, mai precis a unui singur foton, este minusculă – așa că pe Pământ presiunea solară, cum i se spune, se pierde printre celelalte forțe și presiuni percepute, ca fricțiunea și gravitația.

Dar dacă am putea exploata energia unui număr enorm de fotoni și nu ne-ar reține nimic? Nu știm decât un loc unde putem scăpa de forța de frecare și de gravitație: în spațiu.

Din anii ’20, oamenii și-au tot imaginat nave spațiale cu o masă atât de mică și un volum atât de mare încât presiunea fotonilor să le împingă prin spațiu așa cum împing moleculele de gaz (aerul) corăbiile pe mări.

Navigația solară este elegantă nu doar prin concept, ci și prin eficiență. Odată ajuns pe orbită, vehiculul nu mai are nevoie de combustibil. Forța de propulsie este foarte slabă – de-abia 9 μN/m2 de pânză lucioasă – dar, spre deosebire de un motor de rachetă convențională, nu rămâne niciodată fără combustibil. Soarele strălucește tot timpul, așa că stropul de energie pe care îl asigură în fiecare secundă se tot acumulează.

Iată cum va zbura LightSail 2. Vehiculul nostru spațial va fi, pentru început, doar de mărimea unei

pâini: 10 x 10 x 30 cm, o dimensiune standard pentru sateliții cubici din ziua de azi, numiți CubeSats. E amuzantă ideea că, din moment ce pe orbita terestră nu există aer mai deloc, vehiculul nu are nevoie să aibă forme curgătoare, aerodinamice.

În niște mici compartimente ale sale se vor afla pânze foarte lucioase; pe orbită, acestea se vor despături, formând un pătrat cu latura de peste 5,5 m. În timp ce lumina solară împinge pânzele, echipa de control de la sol poate telecomanda minusculele motoare electrice să rotească vehiculul astfel încât să aibă pânzele perpendiculare pe razele soarelui, apoi din nou paralele, cu fiecare orbitare.

Nava se va comporta exact ca o corabie cu pânze, doar că în spațiu, împinsă direct de lumina solară. Și în loc să fie construită într-un șantier naval enorm, LightSail este asamblată în laboratoare mici de pe uscat, din California (dar cu acces la zone de surf foarte bune).

ÎN TIMPUL MISIUNII NOASTRE cu LightSail 2, anticipăm o creștere a energiei orbitale astfel încât mica noastră navă nobilă va urca pe o orbită tot mai înaltă. Sperăm că ne va trimite imagini superbe cu ea și cu Pământul de dedesubt. Și suntem convinși că va aduce progrese fundamentale în tehnologia zborului spațial. Misiunile LightSail fac parte dintr-un efort global de a reduce costul explorării spațiale pentru a face posibile misiuni care altfel ar fi fost mult prea costisitoare sau chiar imposibile.

De exemplu: din când în când, soarele expulzează o cantitate enormă de energie, eveniment numit ejecție de masă coronară sau EMC. Șuvoaiele de particule cu încărcătură electrică pot distruge componentele electronice ale sateliților și se deplasează foarte repede prin spațiu – dar nici pe departe la fel de repede ca fotonii.

După cum a observat și Kepler, un obiect aflat pe o orbită strânsă în jurul Soarelui se deplasează mai repede decât unul de pe o orbită mai îndepărtată, din cauza atracției gravitaționale a stelei. Dacă am încerca să înscriem un satelit pe orbită la aceeași distanță de Soare ca Venus, de exemplu, și am vrea să țină pasul cu Pământul... în fine, nu ar avea cum. Ar cădea efectiv în Soare. Pentru a rămâne pe o asemenea orbită, nava ar avea nevoie de o altă forță constantă care să o tragă în afară. Pânza solară ar asigura vectorul acesta continuu, iar instrumentele de la bord ar putea să detecteze orice EMC și să ne transmită un semnal de avertizare. Noi am manevra sateliții din apropiere, de pe orbita terestră, ca să-i întoarcem cu spatele la fluxul

SPERĂM CĂ LIGHTSAIL 2

NE VA TRIMITE IMAGINI

SPLENDIDE. ȘI SUNTEM

CONVINȘI CĂ VA ADUCE

PROGRESE FUNDAMENTALE

ÎN TEHNOLOGIA ZBORULUI

SPAȚIAL.

de particule – și astfel aceste vehicule spațiale esențiale ar suferi pagube minime.

Cu aceeași metodă a navigației solare, am putea trimite pe orbită o navă cu telescoape în infraroșu care să se rotească în ritm cu Pământul. Aceasta și-ar putea orienta telescopul termosensibil în direcția opusă Soarelui pentru a cerceta întunericul înghețat al spațiului și a detecta, poate, lumina unui asteroid periculos, aflat pe un curs de coliziune cu planeta noastră. Sau am putea plasa un vehicul cu navigație solară într-un punct aproape fix deasupra Polului Nord sau Sud pentru a monitoriza vremea și clima. Navigația solară este o tehnologie fantastică și de-abia face primii pași.

Să ne gândim la lumea modernă și la influența enormă a explorării. Ecranul sau hârtia de pe care citiți, mașina pe care o conduceți, avionul sau trenul cu care călătoriți, hrana pe care o mâncați și hainele pe care le purtați există pentru că strămoșii noștri au găsit un mod de a naviga pe oceanul fără repere... pe continentele necartografiate... prin infinitatea spațiului.

Misiunea noastră, la Planetary Society, este să facem progrese în știința și explorarea spațiului. Majoritatea pământenilor își trăiesc viața fără să se gândească prea mult la spațiu – dar când ne gândim la el, suntem capabili de reușite mărețe. Invitând cetățenii planetei să joace un rol în misiunile LightSail – să susțină finanțarea proiectelor științifice, să participe la evenimentele Planetary Society, să se înscrie la newsletter pentru a primi știri despre lansări –, le dăm ocazia să facă parte din viitor, să democratizeze spațiul și să ne ajute pe toți să căpătăm o nouă și importantă perspectivă asupra cosmosului și a locului nostru în el. Către stele!

Bill Nye, inginer mecanic, este director executiv al Planetary Society și expert în serialul National Geographic MARTE (sezonul 2 începe pe 13 noiembrie). Este gazda emisiunii de pe Netflix Bill Nye salvează lumea și autor de bestseller-uri; cartea lui Everything All at Once apare în ediție necartonată luna aceasta. Emisiunea lui distinsă cu premiul Emmy, Bill Nye, tipul de la știință, a făcut cunoștință generației ’80-’90 cu știința și ingineria.