Navigația solară se desfășoară în spațiu, nu pe mare. Aceasta implică utilizarea radiației solare, mai degrabă decât a combustibilului pentru rachetă sau a energiei nucleare, pentru a propulsa nave spațiale. Sursa sa de energie este aproape nelimitată (cel puțin pentru următoarele câteva miliarde de ani), beneficiile sale pot fi substanțiale și demonstrează utilizarea inovatoare a energiei solare pentru a propulsa civilizația modernă.
O pânză solară funcționează în același mod în care funcționează celulele fotovoltaice (PV) într-un panou solar – prin conversia luminii într-o altă formă de energie. Fotonii (particulele de lumină) nu au masă, dar oricine cunoaște cea mai faimoasă ecuație a lui Einstein știe că masa este doar o formă de energie.
Fotonii sunt pachete de energie care se mișcă prin definiție cu viteza luminii și, deoarece se mișcă, au un impuls proporțional cu energia pe care o transportă. Când acea energie lovește o celulă solară PV, fotonii deranjează electronii celulei, creând un curent, măsurat în volți (deci termenul fotovoltaic). Cu toate acestea, atunci când energia unui foton lovește un obiect reflectorizant precum o pânză solară, o parte din acea energie este transferată obiectului sub formă de energie cinetică, exact așa cum se întâmplă atunci când o bilă de biliard în mișcare lovește una staționară. Navigația solară ar putea fi singura formă de propulsie a cărei sursă este fără masă.
La fel cum un panou solar produce mai multă electricitate cu cât lumina soarelui care îl lovește este mai puternică, la fel și o pânză solară se mișcă mai repede. În spațiul cosmic, neprotejată de atmosfera Pământului, o pânză solară este bombardată cu porțiuni ale spectrului electromagnetic cu mai multă energie (cum ar fi razele gamma) decât obiectele de pe suprafața Pământului, care este protejată de atmosfera Pământului de astfel de unde de înaltă energie de radiație solară. Și deoarece spațiul cosmic este un vid, nu există nicio opoziție față de miliardele de fotoni care lovesc o pânză solară și o împing înainte. Atâta timp cât pânza solară rămâne suficient de aproape de Soare, poate folosi energia Soarelui pentru a naviga prin spațiu.
O pânză solară funcționează exact ca velele unei bărci cu pânze. Prin schimbarea unghiului velelor față de Soare, o navă spațială poate naviga cu lumina în spate sau poate vira împotriva direcției luminii. Viteza unei nave spațiale depinde de relația dintre dimensiunea velelor, distanța față de sursa de lumină și masa navei. Accelerarea poate fi, de asemenea, îmbunătățită prin utilizarea laserelor bazate pe Pământ, care transportă niveluri de energie mai ridicate decât lumina obișnuită. Deoarece bombardamentul fotonilor Soarelui nu se termină niciodată și nu există rezistență, accelerarea satelitului crește în timp, făcând navigația solară un mijloc eficient de propulsie pe distanțe lungi.
Lansarea unei pânze solare în spațiu necesită în continuare combustibil pentru rachetă, deoarece forța gravitației în atmosfera inferioară a Pământului este mai puternică decât energia pe care o poate capta o pânză solară. De exemplu, racheta care a lansat LightSail 2 în spațiu pe 25 iunie 2019 — racheta SpaceX Falcon Heavy — a folosit kerosen și oxigen lichid drept combustibil pentru rachetă. Kerosenul este același combustibil fosil utilizat în combustibilul pentru avioane, cu aproximativ aceleași emisii de dioxid de carbon ca și păcura pentru încălzirea locuințelor și puțin mai mult decât benzina.
Deși infrecvența lansărilor de rachete face ca gazele lor cu efect de seră să fie neglijabile, celelalte substanțe chimice pe care combustibilul pentru rachetă le eliberează în straturile superioare ale atmosferei Pământului pot cauza daune importantului strat de ozon. Înlocuirea combustibilului pentru rachetă pe orbite exterioare cu pânze solare reduce costurile și daunele atmosferice cauzate de arderea combustibililor fosili pentru propulsie. Combustibilul pentru rachetă este, de asemenea, scump și finit, limitând viteza și distanța pe care o pot parcurge navele spațiale.
Navigația solară este impracticabilă pe orbitele joase ale Pământului (LEO), din cauza forțelor de mediu precum rezistența aerodinamică și forțele magnetice. Și deși călătoriile interplanetare dincolo de Marte devin mai dificile, din cauza scăderii energiei luminii solare în sistemul solar exterior, navigația solară a navelor spațiale poate ajuta la reducerea costurilor și la limitarea daunelor asupra atmosferei Pământului.
Pânzele solare pot fi, de asemenea, împerecheate cu panouri solare PV, care convertesc lumina soarelui în electricitate, la fel cum o fac și pe Pământ, permițând funcțiilor electronice ale satelitului să continue să funcționeze fără alte surse externe de combustibil. Acest lucru are beneficiul suplimentar de a permite sateliților să rămână într-o poziție staționară deasupra polilor Pământului, crescând astfel capacitatea de a monitoriza constant prin satelit efectele schimbărilor climatice asupra regiunilor polare. (Un „satelit staționar” rămâne în mod normal în același loc față de Pământ mișcându-se cu aceeași viteză ca și rotația Pământului – o imposibilitate la poli.)
Concluzie importantă
Navigația solară necesită în continuare combustibili fosili pentru a lansa nave spațiale pe orbită sau mai departe, dar totuși are beneficii pentru mediu și – poate mai important – demonstrează potențialul energiei solare de a rezolva cele mai presante probleme de mediu ale Pământului.
