Método de propulsión de naves espaciales propuesto
Concepción artística de un estatorreactor Bussard. Un componente importante de un estatorreactor real (un campo electromagnético de kilómetros de ancho) es invisible.Estatorreactor Bussard en movimiento.
El estatorreactor Bussard es un método teórico de propulsión de naves espaciales para viajes interestelares . Una nave espacial que se mueve rápidamente recoge hidrógeno del medio interestelar utilizando un enorme campo magnético en forma de embudo (que varía de kilómetros a muchos miles de kilómetros de diámetro); el hidrógeno se comprime hasta que se produce la fusión termonuclear , que proporciona empuje para contrarrestar la resistencia creada por el embudo y energía para alimentar el campo magnético. El estatorreactor Bussard puede considerarse, por tanto, una variante estatorreactor de un cohete de fusión . [ cita requerida ]
El estatorreactor Bussard fue propuesto en 1960 por el físico Robert W. Bussard . [1]
Desde la propuesta original de Bussard, se ha descubierto que la región que rodea al Sistema Solar tiene una densidad de hidrógeno mucho menor de lo que se creía en ese momento (véase Nube interestelar local ). En 1969, John Ford Fishback hizo una importante contribución al describir los detalles del campo magnético requerido. [2]
En 1978, TA Heppenheimer analizó la sugerencia original de Bussard de fusionar protones , pero encontró que las pérdidas por Bremsstrahlung al comprimir protones a densidades de fusión eran mayores que la potencia que se podía producir en un factor de aproximadamente mil millones, lo que indicaba que la versión propuesta del estatorreactor de Bussard era inviable. [3] Sin embargo, el análisis de Daniel P. Whitmire de 1975 [4] indica que un estatorreactor puede alcanzar potencia neta a través del ciclo CNO , que produce fusión a una tasa mucho mayor (~10 16 veces mayor) que la cadena protón-protón . [ cita requerida ]
Robert Zubrin y Dana Andrews analizaron una versión hipotética del diseño del estatorreactor de Bussard en 1988. [5] Determinaron que su versión del estatorreactor no podría acelerar hacia el viento solar. [ cita requerida ]
Un estudio de 2021 concluyó que, si bien en principio es factible, la construcción práctica de un estatorreactor Bussard útil estaría más allá del alcance incluso de una civilización del tipo Kardashev II . [6] [7]
Invenciones relacionadas
Cohete interestelar aumentado por RAM (RAIR)
El problema de utilizar el medio interestelar como única fuente de combustible condujo al estudio del cohete interestelar aumentado por ariete (RAIR). El RAIR lleva su suministro de combustible nuclear y agota los productos de reacción para producir parte de su empuje. Sin embargo, mejora enormemente su rendimiento al absorber el medio interestelar y usarlo como masa de reacción adicional para aumentar el cohete. El sistema de propulsión del RAIR consta de tres subsistemas: un reactor de fusión, un campo de absorción y un acelerador de plasma. El combustible se lanza por delante de la nave con el acelerador. [8] El campo de absorción canaliza el combustible hacia otro acelerador (este podría ser, por ejemplo, un sistema de intercambio de calor que transfiera energía térmica del reactor directamente al gas interestelar) que recibe energía de un reactor. Una de las mejores maneras de entender este concepto es considerar que el combustible nuclear de hidrógeno que se lleva a bordo actúa como combustible (fuente de energía), mientras que el gas interestelar recogido por la pala y luego expulsado a gran velocidad por la parte trasera actúa como propulsor (la masa de reacción ), por lo que el vehículo tiene un suministro limitado de combustible pero un suministro ilimitado de propulsor. Un estatorreactor Bussard normal tendría un suministro infinito de ambos. Sin embargo, la teoría sugiere que, mientras que un estatorreactor Bussard sufriría resistencia al tener que acelerar previamente el gas interestelar a su propia velocidad antes de la entrada, un sistema RAIR podría transferir energía a través del mecanismo del "acelerador" al medio interestelar a pesar de las diferencias de velocidad, y por lo tanto sufriría mucha menos resistencia. [9] [10] [11] [12]
Estatorreactor interestelar propulsado por láser
Otra variante es la energía emitida en forma de haz acoplada a un vehículo que extrae hidrógeno del medio interestelar. Un conjunto de rayos láser en el sistema solar emite rayos a un colector en un vehículo que utiliza algo parecido a un acelerador lineal para producir empuje. Esto resuelve el problema del reactor de fusión para el estatorreactor. Existen limitaciones debido a la atenuación de la energía emitida en forma de haz con la distancia. [13]
Vela magnética
Los cálculos (de Robert Zubrin y Dana Andrews) inspiraron la idea de un paracaídas o vela magnética . Esto podría ser importante para los viajes interestelares porque significa que la desaceleración en el destino se puede realizar con un paracaídas magnético en lugar de un cohete. [14]
Motor estelar basado en enjambre Dyson (propulsor Caplan)
El astrofísico Matthew E. Caplan, de la Universidad Estatal de Illinois, ha propuesto un tipo de motor estelar que utiliza un enjambre de espejos Dyson para concentrar la energía estelar en ciertas regiones de una estrella similar al Sol, produciendo rayos de viento solar que son recogidos por un conjunto de estatorreactores múltiples que a su vez produce chorros dirigidos de plasma para estabilizar su órbita y oxígeno-14 para empujar la estrella. Utilizando cálculos rudimentarios que suponen la máxima eficiencia, Caplan estima que el motor Bussard utilizaría 10 15 gramos por segundo de material solar para producir una aceleración máxima de 10 −9 m/s 2 , lo que daría una velocidad de 200 km/s después de 5 millones de años y una distancia de 10 parsecs en 1 millón de años. El motor Bussard funcionaría teóricamente durante 100 millones de años dada la tasa de pérdida de masa del Sol, pero Caplan considera que 10 millones de años son suficientes para evitar una colisión estelar. [15]
Trayectoria pre-sembrada
Varias de las obvias dificultades técnicas del estatorreactor Bussard pueden superarse colocando con antelación pastillas sólidas de combustible a lo largo de la trayectoria de la nave espacial. [16] Esto podría hacerse utilizando una nave espacial "cisterna" diferente que dejara caer pastillas de combustible [16] [17] o utilizando propulsión láser. [18] El método se ha denominado "pista de fusión", [16] [18] pista del estatorreactor [17] o "pista de reabastecimiento avanzada". [19]
Si bien la mayoría de las propuestas utilizan energía de fusión, como ocurre con los estatorreactores Bussard convencionales, también se ha sugerido la fisión. [19]
Las ventajas de este sistema incluyen:
La fusión puede lograrse al hacer chocar dos pastillas de combustible a una velocidad de al menos 200 km/s; esto se conoce como fusión por impacto. En comparación con la fusión por confinamiento inercial, la fusión por impacto no requeriría pastillas esféricamente simétricas ni la aplicación de fuerza desde todas las direcciones. [16]
Los pellets de combustible podrían utilizar isótopos como el deuterio (hidrógeno-2) o el tritio (hidrógeno-3). [20] Un estatorreactor Bussard convencional recogerá principalmente protio (hidrógeno-1), ya que es el isótopo de hidrógeno más abundante en la naturaleza.
Lanzar únicamente combustible de fusión ionizado para que las palas magnéticas o electrostáticas puedan canalizar más fácilmente el combustible hacia el motor. El inconveniente es que esto hará que el combustible se disperse debido a la repulsión electrostática. [ cita requerida ]
Lanzar el combustible en una trayectoria de modo que el vector de velocidad del combustible coincida estrechamente con el vector de velocidad esperado de la nave espacial en ese punto de su trayectoria. Esto minimizará las fuerzas de "arrastre" generadas por la recolección de combustible. [ cita requerida ]
Aunque el combustible prelanzado para el estatorreactor anula una ventaja del diseño de Bussard (la recolección de combustible a medida que se mueve a través del medio interestelar, ahorrando el costo de lanzar la masa de combustible), al menos conserva la ventaja de no tener que acelerar la masa del combustible y la masa del cohete al mismo tiempo. [ cita requerida ]
El combustible lanzado previamente proporcionaría cierta visibilidad del medio interestelar, alertando así a la nave espacial que la sigue de peligros invisibles (por ejemplo, enanas marrones ). [ cita requerida ]
Las principales desventajas de este sistema incluyen: [ cita requerida ]
La necesidad de interceptar con precisión los proyectiles de la pista de fusión con una nave espacial que se desplaza a alta velocidad. Se podrían utilizar pulsos láser para guiar los proyectiles. [16]
Si se utiliza la fusión por impacto, la nave espacial debe moverse a una velocidad mínima para lograr la fusión. Una sugerencia es que la nave espacial utilice una maniobra de roce solar para alcanzar los 600 km/s. [16]
La nave espacial no podría desviarse de la trayectoria precalculada a menos que fuera crítico hacerlo. Cualquier desviación de ese tipo la separaría de su suministro de combustible y la dejaría con una capacidad mínima para regresar a su trayectoria original. [ cita requerida ]
El combustible prelanzado para la desaceleración en la estrella de destino no estaría disponible a menos que se lanzara muchas décadas antes del despegue de la nave espacial. Sin embargo, se podrían utilizar otros sistemas (como las velas magnéticas ) para este propósito. [ cita requerida ]
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^ Puede encontrarse más información sobre este concepto RAIR en el libro "the star flight handbook" y en http://www.projectrho.com/public_html/rocket/slowerlight.php
^ Whitmire, D.; Andrew Jackson (1977). "Ratorreactor interestelar propulsado por láser". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 30 : 223–226. Código Bibliográfico :1977JBIS...30..223W.
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^ Caplan, Matthew (17 de diciembre de 2019). «Motores estelares: consideraciones de diseño para maximizar la aceleración». Acta Astronautica . 165 : 96–104. Código Bibliográfico :2019AcAau.165...96C. doi :10.1016/j.actaastro.2019.08.027. S2CID 203111659. Archivado desde el original el 23 de diciembre de 2019 . Consultado el 22 de diciembre de 2019 .URL alternativa
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Bibliografía
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