Viajando pela luz solar

Manobrar uma espaçonave de vela solar requer o equilíbrio de dois fatores: a direção relativa da vela solar para o Sol e a velocidade orbital da espaçonave. Ao mudar o ângulo da vela em relação ao Sol, muda-se a direção da força exercida pela luz solar.


Manobrando uma vela solar para mudar sua órbita (para ilustração, a mudança na órbita mostrada aqui ocorre mais rápido que na realidade)

Pressão dos raios solares
Usando as equações e valores a seguir é possível calcular a força da luz solar sobre a espaçonave e sua aceleração:
  • Força (F) = 2(P x A)/c
  • Aceleração (a) = F/M
Em 1 unidade astronômica (AU), o poder da luz solar é de aproximadamente 1.400 watts/metros2. Nossa espaçonave pesa 1 kg e tem uma área de vela de 1 km2 or 1 000 metros2, portanto:
  • P (energia) = 1.400 W/m2
  • A (área) = 1 000 m2
  • c (velocidade da luz) = 3x108 m/s
  • M (massa) = 1 kg
Isto realiza uma força (F) de aproximadamente 9 newtons (N). Esta força leva a uma aceleração (a) de aproximadamente 9 m/s2, menos que a aceleração devido à gravidade da Terra. Em comparação, um motor principal de um ônibus espacial pode produzir 1,67 milhão N de força durante a decolagem e 2,1 milhão N de propulsão em um vácuo.
Quando a espaçonave está em órbita ao redo da Terra ou Sol, está viajando em um caminho circular ou elíptico em uma determinada velocidade e distância. Para ir a uma órbita mais alta (viajar longe do objeto), é necessário mover a vela solar em ângulo relativo ao Sol para que a pressão gerada pela luz solar esteja na direção de seu movimento orbital. A força acelera a espaçonave, aumenta a velocidade de sua órbita e a nave espacial se move em uma órbita mais alta. Em contraste, se a meta é uma órbita mais baixa (mais próxima do objeto), é necessário mover a vela em ângulo relativo ao Sol para que a pressão gerada pela luz solar esteja oposta à direção de seu movimento orbital. A força acelera a espaçonave, diminui a velocidade de sua órbita e a nave espacial se move em uma órbita mais alta.

A pressão da luz solar diminui com a área de distância do Sol. Portanto, a luz solar exerce maior pressão mais próxima ao Sol do que distante dele. O futuro da espaçonave de vela solar pode tirar vantagem deste fato movendo-se primeiro para uma órbita próxima ao Sol para depois usar a maior pressão da luz solar para conseguir mais impulso de aceleração no começo da missão. Isto é chamado de manobra de propulsão periélica.