Un impulsor de masa o catapulta electromagnética es un método propuesto de lanzamiento espacial sin cohetes que utilizaría un motor lineal para acelerar y catapultar cargas útiles a altas velocidades. Los impulsores de masa existentes y propuestos utilizan bobinas de alambre energizadas por electricidad para hacer electroimanes , aunque también se ha propuesto un impulsor de masa rotatorio. [1] El disparo secuencial de una fila de electroimanes acelera la carga útil a lo largo de una trayectoria. Después de dejar la trayectoria, la carga útil continúa moviéndose debido al impulso .
Aunque cualquier dispositivo utilizado para propulsar una carga balística es técnicamente un impulsor de masa, en este contexto un impulsor de masa es esencialmente un cañón de bobina que acelera magnéticamente un paquete que consiste en un soporte magnetizable que contiene una carga útil. Una vez que la carga útil ha sido acelerada, los dos se separan y el soporte se desacelera y se recicla para otra carga útil.
Los impulsores de masa se pueden utilizar para propulsar naves espaciales de tres formas diferentes: un impulsor de masa grande, con base en la Tierra, podría lanzar naves espaciales lejos de la Tierra, la Luna u otro cuerpo. Un impulsor de masa pequeño podría actuar como un motor de cohete a bordo de una nave espacial, arrojando trozos de material al espacio para impulsarse. Otra variante sería una instalación masiva en una luna o asteroide que enviaría proyectiles para ayudar a una nave distante.
Los impulsores de masa miniaturizados también pueden utilizarse como armas de manera similar a las armas de fuego clásicas o los cañones que utilizan combustión química. También son posibles los híbridos entre cañones de bobina y cañones de riel, como los cañones de riel helicoidales . [2]
Los impulsores de masa no necesitan contacto físico entre las partes móviles porque guían sus proyectiles mediante levitación magnética dinámica, lo que permite una reutilización extrema en el caso de conmutación de potencia de estado sólido y una vida útil de, teóricamente, hasta millones de lanzamientos. Si bien los costos marginales tienden a ser bajos, los costos iniciales de desarrollo y construcción dependen en gran medida del rendimiento, especialmente de la masa, aceleración y velocidad previstas de los proyectiles. Por ejemplo, mientras que Gerard O'Neill construyó su primer impulsor de masa en 1976-1977 con un presupuesto de $ 2000, un modelo de prueba corto que disparaba un proyectil a 40 m / s y 33 g , [3] su siguiente modelo tuvo una aceleración de un orden de magnitud mayor [4] después de un aumento comparable en la financiación y, unos años más tarde, los investigadores de la Universidad de Texas estimaron que un impulsor de masa que disparara un proyectil de 10 kilogramos a 6000 m / s costaría $ 47 millones. [5] [ se necesita cotización para verificar ] [6] [ verificación fallida ]
Para una cantidad dada de energía involucrada, los objetos más pesados se mueven proporcionalmente más lento. Los objetos livianos pueden ser proyectados a 20 km/s o más. Los límites son generalmente el costo del almacenamiento de energía capaz de ser descargado lo suficientemente rápido y el costo de la conmutación de potencia, que puede ser por semiconductores o por interruptores de fase gaseosa (que todavía a menudo tienen un nicho en aplicaciones de potencia de pulso extrema). [7] [8] [9] Sin embargo, la energía puede almacenarse inductivamente en bobinas superconductoras. Un controlador de masa de 1 km de largo hecho de bobinas superconductoras puede acelerar un vehículo de 20 kg a 10,5 km/s con una eficiencia de conversión del 80% y una aceleración promedio de 5.600 g. [10]
Los motores de masa terrestres para propulsar vehículos en órbita, como el concepto StarTram , requerirían una inversión de capital considerable. [11] La gravedad relativamente fuerte de la Tierra y su atmósfera relativamente espesa dificultan la implementación de una solución práctica. Además, la mayoría de los sitios de lanzamiento plausibles, si no todos, propulsarían las naves espaciales a través de rutas aéreas muy transitadas. Debido a la enorme turbulencia que causarían esos lanzamientos, se necesitarían importantes medidas de control del tráfico aéreo para garantizar la seguridad de otras aeronaves que operen en la zona.
Con la proliferación de cohetes reutilizables para lanzar desde la Tierra (especialmente las primeras etapas), cada vez es más dudoso que exista alguna posibilidad de obtener alguna ventaja económica al utilizar propulsores de masa como alternativa a los cohetes químicos para lanzar desde la Tierra. Por estas razones, muchas propuestas incluyen la instalación de propulsores de masa en la Luna , donde la menor gravedad y la falta de atmósfera reducen en gran medida la velocidad necesaria para alcanzar la órbita lunar; además, los lanzamientos lunares desde una posición fija tienen muchas menos probabilidades de generar problemas con respecto a cuestiones como el control del tráfico. [ cita requerida ]
La mayoría de los diseños de controladores de masa más serios utilizan bobinas superconductoras para lograr una eficiencia energética razonable (a menudo del 50% al 90%+, según el diseño). [12] El equipo puede incluir un cubo superconductor o una bobina de aluminio como carga útil. Las bobinas de un controlador de masa pueden inducir corrientes de Foucault en la bobina de aluminio de una carga útil y luego actuar sobre el campo magnético resultante . Hay dos secciones de un controlador de masa. La parte de aceleración máxima espacia las bobinas a distancias constantes y sincroniza las corrientes de las bobinas con el cubo. En esta sección, la aceleración aumenta a medida que aumenta la velocidad, hasta el máximo que el cubo puede soportar. Después de eso, comienza la región de aceleración constante. Esta región espacia las bobinas a distancias crecientes para dar una cantidad fija de aumento de velocidad por unidad de tiempo.
Basándose en este modelo, una propuesta importante para el uso de impulsores de masa implicó transportar material de la superficie lunar a hábitats espaciales para su procesamiento utilizando energía solar . [13] El Instituto de Estudios Espaciales demostró que esta aplicación era razonablemente práctica.
En algunos diseños, la carga se colocaría en un balde y luego se soltaría, de modo que el balde se pueda desacelerar y reutilizar. Un balde desechable, por otro lado, aprovecharía la aceleración a lo largo de toda la pista. Alternativamente, si se construyera una pista a lo largo de toda la circunferencia de la Luna (o cualquier otro cuerpo celeste sin una atmósfera significativa), la aceleración de un balde reutilizable no estaría limitada por la longitud de la pista; sin embargo, un sistema de este tipo tendría que estar diseñado para soportar fuerzas centrífugas sustanciales si se pretendiera acelerar pasajeros y/o carga a velocidades muy altas.
A diferencia de los conceptos de cañones espaciales químicos que solo transportan carga , un propulsor de masa podría tener cualquier longitud, ser asequible y tener una aceleración relativamente suave en todo momento, opcionalmente incluso lo suficientemente largo como para alcanzar la velocidad objetivo sin fuerzas g excesivas para los pasajeros. Puede construirse como una pista de lanzamiento muy larga y principalmente alineada horizontalmente para el lanzamiento espacial, dirigida hacia arriba en el extremo, en parte por la curvatura de la pista hacia arriba y en parte por la curvatura de la Tierra en la otra dirección.
Las elevaciones naturales, como las montañas, pueden facilitar la construcción de la parte distante, que apunta hacia arriba. Cuanto más arriba termine la pista, menos resistencia de la atmósfera encontrará el objeto lanzado. [14]
Los 40 megajulios por kilogramo o menos de energía cinética de los proyectiles lanzados a una velocidad de hasta 9000 m/s (si se incluye el extra por pérdidas de arrastre) hacia la órbita baja terrestre son unos pocos kilovatios-hora por kilogramo si las eficiencias son relativamente altas, lo que en consecuencia se ha planteado como hipótesis que es menos de 1 dólar de coste de energía eléctrica por kilogramo enviado a LEO , aunque los costes totales serían mucho más altos que la electricidad sola. [11] Al estar ubicado principalmente ligeramente por encima, sobre o debajo del suelo, un controlador de masa puede ser más fácil de mantener en comparación con muchas otras estructuras de lanzamiento espacial no cohete . Ya sea subterráneo o no, debe estar alojado en una tubería que se bombea al vacío para evitar la resistencia del aire interna , como con un obturador mecánico que se mantiene cerrado la mayor parte del tiempo, pero se utiliza una ventana de plasma durante los momentos de disparo para evitar la pérdida de vacío. [15]
Un sistema de propulsión de masa en la Tierra normalmente sería un sistema de compromiso. Un propulsor de masa aceleraría una carga útil hasta una velocidad alta que no sería suficiente para la órbita. Luego liberaría la carga útil, lo que completaría el lanzamiento con cohetes. Esto reduciría drásticamente la cantidad de velocidad necesaria para ser proporcionada por los cohetes para alcanzar la órbita. Bastaría con menos de una décima parte de la velocidad orbital de un pequeño propulsor de cohete para elevar el perigeo si un diseño prioriza minimizarlo, pero las propuestas híbridas reducen opcionalmente los requisitos para el propio propulsor de masa al tener una mayor porción de delta-v mediante una combustión de cohete (o un anclaje de intercambio de momento orbital ). [11] En la Tierra, un diseño de propulsor de masa podría posiblemente utilizar componentes de levitación magnética bien probados .
Para lanzar un vehículo espacial con humanos a bordo, la pista de un conductor masivo tendría que tener casi 1000 kilómetros de largo si proporcionara casi toda la velocidad a la órbita baja terrestre , aunque una longitud menor aún podría proporcionar una asistencia de lanzamiento importante. La longitud requerida, si se acelera principalmente a una fuerza g máxima aceptable cercana a la constante para los pasajeros, es proporcional a la velocidad al cuadrado. [16] Por ejemplo, la mitad del objetivo de velocidad podría corresponder a un túnel de una cuarta parte de la longitud que se necesitaría construir, para la misma aceleración. [16] Para objetos accidentados, pueden ser suficientes aceleraciones mucho mayores, lo que permite una pista mucho más corta, potencialmente circular o helicoidal (espiral). [17] Otro concepto implica un diseño de anillo grande mediante el cual un vehículo espacial daría vueltas alrededor del anillo numerosas veces, ganando velocidad gradualmente, antes de ser liberado en un corredor de lanzamiento que conduce hacia el cielo.
Se han propuesto impulsores de masa para la eliminación de desechos nucleares en el espacio: un proyectil lanzado a una velocidad muy superior a la de escape de la Tierra escaparía del Sistema Solar, y se calcula que el paso atmosférico a esa velocidad sería posible gracias a un proyectil alargado y un escudo térmico muy sustancial. [10] [18] [ verificación necesaria ]
Una nave espacial podría llevar un impulsor de masa como motor principal. Con una fuente adecuada de energía eléctrica (probablemente un reactor nuclear ), la nave espacial podría utilizar el impulsor de masa para acelerar fragmentos de materia de casi cualquier tipo, impulsándose en la dirección opuesta. En la escala más pequeña de masa de reacción, este tipo de impulsor se denomina impulsor iónico . [ cita requerida ]
No se conoce ningún límite teórico absoluto para el tamaño, la aceleración o la energía inicial de los motores lineales. Sin embargo, se aplican restricciones de ingeniería prácticas, como la relación potencia-masa, la disipación de calor residual y la entrada de energía que se puede suministrar y manejar. Lo mejor es que la velocidad de escape no sea ni demasiado baja ni demasiado alta. [19]
Existe una velocidad de escape óptima limitada y un impulso específico que depende de la misión para cualquier propulsor, limitado por una cantidad limitada de potencia a bordo de la nave espacial. El empuje y el momento del escape, por unidad de masa expulsada, aumentan linealmente con su velocidad ( momento = mv), pero la energía cinética y los requisitos de entrada de energía aumentan más rápido con la velocidad al cuadrado ( energía cinética =+1 ⁄ 2 mv 2 ). Una velocidad de escape demasiado baja aumentaría excesivamente la masa de propulsor necesaria según la ecuación del cohete , y se destinaría una fracción demasiado alta de energía a acelerar el propulsor que aún no se ha utilizado. Una velocidad de escape más alta tiene tanto beneficios como desventajas, ya que aumenta la eficiencia del uso del propulsor (más impulso por unidad de masa de propulsor expulsado), pero disminuye el empuje y la tasa actual de aceleración de la nave espacial si la potencia de entrada disponible es constante (menos impulso por unidad de energía entregada al propulsor). [19]
Los métodos de propulsión eléctrica , como los propulsores de masa, son sistemas en los que la energía no proviene del propio propulsor (esto contrasta con los cohetes químicos , en los que la eficiencia propulsiva varía con la relación entre la velocidad de escape y la velocidad del vehículo en ese momento, pero el impulso específico máximo obtenible tiende a ser un objetivo de diseño cuando corresponde a la mayor energía liberada por los propulsores reactivos). Aunque el impulso específico de un propulsor eléctrico en sí mismo podría alcanzar opcionalmente el punto en el que los propulsores de masa se fusionan con aceleradores de partículas con una velocidad de escape fraccionaria de la velocidad de la luz para partículas diminutas, intentar usar una velocidad de escape extrema para acelerar una nave espacial mucho más lenta podría generar un empuje subóptimamente bajo cuando la energía disponible del reactor o la fuente de energía de una nave espacial es limitada (un análogo menor de alimentar la energía a bordo a una fila de focos, siendo los fotones un ejemplo de una relación momento-energía extremadamente baja). [19]
Por ejemplo, si la potencia limitada a bordo suministrada a su motor fuera la limitación dominante sobre la cantidad de carga útil que una nave espacial hipotética podría transportar (como si el costo económico intrínseco del propulsor fuera menor debido al uso de suelo o hielo extraterrestres), la velocidad de escape ideal sería más bien alrededor del 62,75% del delta v total de la misión si opera a un impulso específico constante, excepto que una mayor optimización podría provenir de la variación de la velocidad de escape durante el perfil de la misión (como es posible con algunos tipos de propulsores, incluidos los impulsores de masa y los cohetes de magnetoplasma de impulso específico variable ). [19]
Dado que un controlador de masa podría usar cualquier tipo de masa de reacción para mover la nave espacial, un controlador de masa o alguna variación parece ideal para los vehículos del espacio profundo que extraen masa de reacción de los recursos que encuentran.
Un posible inconveniente del impulsor de masa es que tiene el potencial de enviar masa de reacción sólida que viaja a velocidades relativas peligrosamente altas hacia órbitas útiles y carriles de tráfico. Para superar este problema, la mayoría de los planes planean lanzar polvo finamente dividido . Alternativamente, se podría utilizar oxígeno líquido como masa de reacción, que al liberarse se reduciría a su estado molecular. Propulsar la masa de reacción a la velocidad de escape solar es otra forma de garantizar que no siga siendo un peligro.
Un impulsor de masa en una nave espacial podría utilizarse para "reflejar" masas de un impulsor de masa estacionario. Cada desaceleración y aceleración de la masa contribuye al impulso de la nave espacial. La nave espacial ligera y rápida no necesita transportar masa de reacción y no necesita mucha electricidad más allá de la cantidad necesaria para reemplazar las pérdidas en la electrónica, mientras que la instalación de soporte inmóvil puede funcionar con plantas de energía capaces de ser mucho más grandes que la nave espacial si es necesario. Esto podría considerarse una forma de propulsión impulsada por haz (un análogo a escala macroscópica de una vela magnética impulsada por haz de partículas ). Un sistema similar también podría entregar pastillas de combustible a una nave espacial para alimentar otro sistema de propulsión. [20] [21] [22] [23]
Otro uso teórico de este concepto de propulsión se puede encontrar en las fuentes espaciales , un sistema en el que un flujo continuo de pellets en una pista circular sostiene una estructura alta.
La Marina de los EE. UU. está investigando activamente lanzadores de proyectiles electromagnéticos de alta aceleración de tamaño pequeño a moderado [24] para su uso como armas terrestres o basadas en barcos (la mayoría de las veces cañones de riel , pero cañones de bobina en algunos casos). En mayor escala que las armas actualmente cerca de implementarse pero a veces sugeridas en proyecciones futuras de largo alcance, un motor lineal de velocidad suficientemente alta , un impulsor de masa, podría en teoría usarse como artillería intercontinental (o, si se construye en la Luna o en órbita, usarse para atacar una ubicación en la superficie de la Tierra ). [25] [26] [27] Como el impulsor de masa estaría ubicado más arriba en el pozo de gravedad que los objetivos teóricos, disfrutaría de un desequilibrio energético significativo en términos de contraataque.
Una de las primeras descripciones técnicas de un "cañón eléctrico" aparece en el suplemento técnico de la novela de ciencia ficción de 1937 "Zero to Eighty" de "Akkad Pseudoman", [28] un seudónimo del físico y empresario eléctrico de Princeton Edwin Fitch Northrup . El Dr. Northrup construyó prototipos de cañones de bobina alimentados por generadores eléctricos trifásicos de frecuencia kHz, y el libro contiene fotografías de algunos de estos prototipos. El libro describe una circunnavegación ficticia de la luna por un vehículo para dos personas lanzado por un cañón eléctrico de Northrup.
Desde 1976 se han construido prototipos de impulsores de masa posteriores ( Mass Driver 1 ), algunos de ellos construidos por el Instituto de Estudios Espaciales de los Estados Unidos para demostrar sus propiedades y su utilidad práctica. La investigación y el desarrollo militares sobre cañones de bobina están relacionados con esto, al igual que los trenes de levitación magnética .
SpinLaunch , una empresa fundada en 2014, realizó la prueba inicial de su acelerador de pruebas en octubre de 2021. [29]
Las estrellas de esta conferencia [...] fueron el profesor Henry Kolm del Instituto Tecnológico de Massachusetts y el grupo de estudiantes voluntarios que construyeron el primer impulsor de masa [...] En su mejor prueba, el prototipo del impulsor de masa produjo una aceleración de treinta y tres gravedades. Esto es más de lo que el Dr. O'Neill [...] había considerado necesario para un impulsor de masa de la superficie lunar. [...] El impulsor de masa se demostró varias veces durante los descansos entre las sesiones de la conferencia, cada vez con una ronda de aplausos para el equipo que lo construyó en menos de cuatro meses con un presupuesto de $ 2,000.
Mass Driver Two combina por primera vez todas las características esenciales de un impulsor de masa operativo, con la excepción de la recirculación del balde y el manejo de la carga útil. Su aceleración de diseño nominal es de 5000 m/s2, para una velocidad final de 112 m/s.
