miniatura|Prototip de vela solar de 20 metres, desenvolupat per la NASA. miniatura|Visió artística d'una nau del tipus Cosmos 1 en òrbita Una vela solar és un mètode de propulsió per sondes i naus espacials alternatiu o complementari a l'ús de motors. Les veles solars capten empenyiments produïts per fonts externes a la mateixa nau, de manera que aquesta no necessita transportar ni motor ni combustible, alleugerint considerablement el pes de la nau, i podent aconseguir així majors velocitats. En funció de la font d'impuls que pretenguin captar, les veles solars es classifiquen en dos grans grups: Veles de fotons o fotòniques, consistents en una gran superfície composta per una o diverses làmines reflectores molt lleugeres, capaces d'aprofitar la pressió lumínica de la radiació solar per obtenir impuls. A més de fotons d'origen solar, les veles es poden dissenyar per aprofitar qualsevol altre tipus d'ones electromagnètiques generades per l'home, com ara raigs làser o microones. Veles de plasma. A diferència de les veles fotòniques, consisteixen en grans malles o xarxes en què es genera un camp elèctric o magnètic capaç d'interceptar el plasma del vent solar per obtenir impuls. En funció del camp que generin, aquestes veles es denominen veles magnètiques o veles elèctriques.
A causa de l'escassa potència que ofereixen les veles solars, les naus propulsades per aquest mètode necessiten ser llançades a l'espai per un coet convencional. Fora ja de l'atmosfera terrestre, la seva acceleració és molt lenta, podent trigar més d'un dia a augmentar la seva velocitat en 100 km / h., però, a diferència dels coets, l'empenta sobre una vela s'aplica de forma ininterrompuda, de manera que amb el temps una sonda proveïda de veles pot arribar a velocitats molt superiors a les obtingudes mitjançant els actuals sistemes de propulsió espacial.
Les veles solars porten poc temps en desenvolupament, i fins ara només s'ha aconseguit llançar amb èxit la sonda Ikaros, parcialment impulsada per aquest mètode, però al començament del segle XXI diverses agències espacials treballen en aquesta tecnologia.
Història miniatura|Representació de la NanoSail-D, desplegada amb èxit per la NASA el gener de 2011. L'efecte de la pressió solar va ser assenyalat per primera vegada al per l'astrònom Johannes Kepler, en observar que la cua dels cometes sempre apuntava en la direcció oposada al Sol, deduint que aquest havia de generar algun tipus de força de repulsió. Aquesta força va ser calculada en 1873 per James C. Maxwell en la seva teoria de l'electromagnetisme, segons la qual, la llum havia d'exercir una pressió sobre els objectes. Aquesta predicció va ser confirmada experimentalment el 1899 per Piotr Lebedev.
Va ser el mateix Kepler el primer a suggerir la idea de dissenyar naus espacials per aprofitar aquesta energia, però va caldre esperar fins al perquè la comunitat científica reprengués el concepte de vela solar. Els primers a fer-ho van ser els soviètics, concretament el físic rus Konstantín Tsiolkovski, i en especial l'enginyer lituà Friedrich Zander, que ja el 1924 va estudiar la possibilitat de realitzar viatges interplanetaris mitjançant veles solars. El concepte es va anar refinant gradualment durant les següents dècades, i el 1951 es va publicar el primer article tècnic sobre veles solars: "Clipper Ships of Space" (velers de l'espai), signat sota pseudònim per l'enginyer aeronàutic Carl A. Wiley. Transcorrerien encara 7 anys més fins que un treball sobre veles solars aparegués en una revista científica, el que va succeir finalment el 1958 a la revista "Jet Propulsion". L'article va ser escrit pel Dr Richard gamin, consultor del Departament de Defensa dels Estats Units. A mitjans dels anys 60 la NASA va començar a investigar en el camp de les veles solars, i des de llavors l'avanç tecnològic i l'aparició de materials ultralleugers com el PET d'orientació biaxial (boPET) han revifat l'interès per aquesta tecnologia.
El 1960 la pressió solar va demostrar per primera vegada la seva influència real sobre els objectes en l'espai "jugant a futbol" amb el satèl·lit Echo 1: un gran globus metal·litzat de gran àrea i poc pes al qual va empènyer fins a destrossar la seva fina tela, dispersant les restes per l'espai. Coneixedores de tal efecte, les sondes Mariner 10 el 1974 i la MESSENGER el 2004, ambdues amb destinació al planeta Mercuri, van estalviar combustible utilitzant la pressió solar per controlar la seva orientació. Els satèl·lits indis de comunicacions INSAT 2A i 3A, així com els més moderns Inmarsat-4 de la sèrie europea Eurostar E3000, ja es dissenyen amb panells reflectants per controlar la seva orientació per aquest mètode.
La primera proposta en ferm per crear una nau propulsada per veles solars va ser promoguda a la fi dels anys 1970 pel doctor Louis Friedman, del JPL de la NASA. Es pretenia enviar una sonda a la trobada del cometa de Halley, però després d'un any d'estudis es va considerar que la tecnologia no estaria disponible a temps, i el programa va ser finalment cancel·lat.
Entre els anys 1979 i 1982 es creen tres organitzacions dedicades a la navegació mitjançant veles solars: la World Space Foundation (WSF) als Estats Units, la Union pour la Promotion de la Propulsion Photonique (l'U3P) a França, i la Solar Sail Union of Japan (SSSJ) al Japó. El 1998 s'inicia un treball conjunt entre l'Agència Espacial Europea (ESA) i el Centre aeroespacial alemany (DLR) per desenvolupar la tecnologia de les veles solars.
La NASA ha considerat organitzar una competició per aconseguir el punt de Lagrange L1 per mitjà de veles solars, i entre 2001 i 2005 va assajar amb èxit desplegaments de veles a escala en cambres de buit. Segons l'equip encarregat del projecte, aquests dissenys poden escalar fins a models de 150 m de costat, i a partir de 2010 podria plantejar-se un llançament de prova.
Llançaments orbitals Desplegament miniatura|Model de l'IKAROS al 61è congés internacional d'astronàutica el 2010 El 4 de febrer de 1993, l'Agència Espacial Russa va aconseguir desplegar amb èxit des de l'estació MIR el Znamya 2, un reflector de boPET aluminiat de 20 metres d'amplada. No obstant això, l'experiment només va consistir a provar el desplegament, i no la propulsió, de manera que el reflector, incapaç de controlar la seva direcció, es va cremar a l'atmosfera terrestre. Un segon assaig posterior, denominat Znamaya 2.5, va finalitzar en fracàs, i el 1999 l'agència russa va abandonar el programa.
Més recentment, el 9 d'agost de 2004 l'Agència Espacial Japonesa va desplegar amb èxit dos prototips de vela solar des d'un coet: una amb forma de trèvol a 122 km d'altura, i una desplegada en ventall a 169 km. Ambdues van utilitzar una làmina de 7,5 micres de gruix. Igual que en el cas rus, l'experiment va ser només un assaig de desplegament, i no una prova de propulsió.
El 21 de febrer de 2006, de nou la JAXA va llançar conjuntament amb el satèl·lit ASTRO-F una vela solar de 15 metres de diàmetre que només es va desplegar parcialment. Posteriorment, el 20 de maig de 2010 va llançar conjuntament amb el satèl·lit PLANET-C una nova vela, de 20 m de diàmetre, anomenada Ikaros, que es va desplegar correctament.
El gener de 2011 la NASA va aconseguir per primera vegada desplegar amb èxit una vela solar en òrbita amb el segon minisatèl·lit NanoSail-D, també denominat "NanoSail-D2 ".
Propulsió Fins avui no s'ha aconseguit llançar amb èxit cap nau amb veles solars com a sistema de propulsió primari, excepte la sonda Ikaros, llançada al maig de 2010, parcialment impulsada per una vela de 20m de costat. El primer intent per utilitzar una vela solar com a propulsor va ser un projecte conjunt entre la Societat Planetària, el Cosmos Studios i l'Acadèmia Russa de les Ciències; des d'un submarí soviètic, el 21 de juny de 2005 es va efectuar el llançament d'un coet tipus Volna, portant un satèl·lit denominat Cosmos 1 en honor de Carl Sagan. Malauradament, una fallada en el coet va impedir que el satèl·lit aconseguís la seva òrbita. El 2020 la societat planetària té previst llançar una nova vela solar que intentarà demostrar que aquesta tecnologia és factible, aquesta vela anirà seguida d'altres dues que sortiran de l'òrbita terrestre.
Un altre equip compost pel Marshall Space Flight Center i l'Ames Research Center de la NASA va intentar llançar el 2 d'agost de 2008 la sonda NanoSail-D, de 4,5 kg de pes, amb una vela de plàstic aluminiat de 9,3 m² de superfície. Igual que succeí tres anys abans amb el Cosmos 1, el coet va fallar.
Principi físic Fotons La mecànica quàntica va introduir el concepte de la Dualitat ona-partícula, segons el qual no hi ha diferències fonamentals entre partícules i ones: les partícules poden comportar-se com ones, i viceversa. Totes les ones electromagnètiques, ja siguin lluminoses, microones, o de qualsevol altre tipus, poden considerar-se per tant raigs de fotons. Tot i que els fotons no tenen massa en repòs, la Teoria de la relativitat, resumida en la famosa equació , estableix que cada vegada que l'energia es mou d'un lloc a un altre, es comporta en part com si s'estigués movent una massa.
La quantitat de moviment o moment lineal d'una partícula es defineix com el producte de la seva massa per la seva velocitat, però aplicant la mecànica relativista, la massa d'una partícula varia amb la velocitat i, per tant, la fórmula (on és el moment lineal, la massa i la velocitat) ha d'incloure el factor de Lorentz, escrivint llavors .
A l'espai buit els fotons es mouen a la velocitat de la llum , pel que si s'aïlla la massa en l'equació d'Einstein i s'introdueix en l'equació del moment lineal, s'obté que l'energia i moment lineal d'aquestes partícules estan relacionades mitjançant l'expressió:
Cada fotó té una energia directament proporcional a la freqüència de l'ona associada, definida per la fórmula:
on és l'energia del fotó, és la constant de Planck (de valor = 6,626 x 10 -34 J·s), i és la freqüència de l'ona.
Combinant aquestes dues equacions, s'obté que el moment lineal del fotó depèn únicament de la freqüència de l'ona, segons la fórmula:
D'altra banda, la longitud d'ona i la freqüència d'oscil·lació estan relacionades per una constant, la velocitat de la llum en el buit (c), segons la fórmula:
Pel que el moment lineal d'un fotó es pot definir també com:
Per tant, a major longitud d'ona, menor serà l'energia i moment lineal del fotó. Quan un fotó és reflectit per una superfície, aquest torna a la mateixa velocitat, però amb una longitud d'ona lleugerament major, el que equival a cedir part de la seva energia (o, cosa que és el mateix, moment lineal) a la superfície impactada. És aquest moment lineal el que impulsa la nau.
El moment lineal d'un fotó és realment petit: observant la primera fórmula, veiem que és l'energia del fotó dividida per la velocitat de la llum. La irradiància als voltants de l'òrbita terrestre és de 1.366 W/m², el que origina una empenta de 4,7 μN/m².
Plasma A causa de les temperatures extremes del sol, gran part de la matèria de l'atmosfera o corona solar està disgregada en forma de plasma, un gas de partícules ionitzades que en el cas de la nostra estrella està compost en un 95% per protons i electrons. Part d'aquest plasma és expulsat cap a l'exterior generant l'anomenat vent solar, que es desplaça a velocitats al voltant dels 350 km/s. Tot i que les partícules de vent solar són molt més escasses que els fotons i viatgen 1.000 vegades més lentes que aquests, tenen una massa molt més gran, de manera que l'empenta originada per cada partícula, transmesa en forma d'energia cinètica, és més gran que l'ocasionada pels fotons. Tot i així, l'efecte del vent solar està tres ordres de magnitud per sota del produït per la pressió de radiació electromagnètica dels fotons.
Funcionament miniatura|Model de trajectòria ràpida amb vela solar.