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 ramjet 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 desde kilómetros hasta muchos miles de kilómetros de diámetro); el hidrógeno se comprime hasta que se produce la fusión termonuclear , lo que proporciona empuje para contrarrestar la resistencia creada por el embudo y energía para impulsar el campo magnético. Por tanto, el estatorreactor Bussard puede verse como una variante del estatorreactor de un cohete de fusión . [ cita necesaria ]
El estatorreactor Bussard fue propuesto en 1960 por el físico Robert W. Bussard . [1]
Desde el momento de la propuesta original de Bussard, se ha descubierto que la región que rodea el Sistema Solar tiene una densidad de hidrógeno mucho menor de lo que se creía en aquel momento (ver 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 descubrió que las pérdidas de Bremsstrahlung al comprimir protones para fusionar densidades eran mayores que la energía que podría producirse en un factor de aproximadamente mil millones, lo que indicaba que la versión propuesta de Bussard ramjet 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 velocidad mucho mayor (~10 16 veces mayor) que la cadena protón-protón . [ cita necesaria ]
Robert Zubrin y Dana Andrews analizaron una versión hipotética del diseño del estatorreactor Bussard en 1988. [5] Determinaron que su versión del estatorreactor sería incapaz de acelerar con el viento solar. [ cita necesaria ]
Un estudio de 2021 encontró que, si bien es factible en principio, la construcción práctica de un estatorreactor Bussard útil estaría más allá incluso de una civilización de Kardashev tipo II . [6] [7]
Invenciones relacionadas
Cohete interestelar aumentado Ram (RAIR)
El problema de utilizar el medio interestelar como única fuente de combustible llevó al estudio del cohete interestelar aumentado Ram (RAIR). El RAIR transporta su suministro de combustible nuclear y agota los productos de la reacción para producir parte de su empuje. Sin embargo, mejora enormemente su rendimiento al recoger el medio interestelar y utilizarlo 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 pala y un acelerador de plasma. El combustible se lanza delante del barco con el acelerador. [8] El campo de pala canaliza el combustible hacia otro acelerador (esto podría ser, por ejemplo, un sistema de intercambio de calor que transfiere energía térmica del reactor directamente al gas interestelar) al que se le suministra energía desde un reactor. Una de las mejores formas 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 ), el vehículo tiene por lo tanto un suministro de combustible limitado pero un suministro de propulsor ilimitado. 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 admisión, un sistema RAIR podría transferir energía a través del mecanismo de "acelerador" al medio interestelar a pesar de las diferencias de velocidad. y así sufriría mucha menos resistencia. [9] [10] [11] [12]
Ramjet interestelar impulsado por láser
Otra variante es la energía transmitida junto con un vehículo que recoge hidrógeno del medio interestelar. Un conjunto de láseres en el sistema solar emite rayos a un colector en un vehículo que utiliza algo así como un acelerador lineal para producir empuje. Esto resuelve el problema del reactor de fusión del estatorreactor. Existen limitaciones debido a la atenuación de la energía transmitida 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 serán recogidos por un multi-ramjet. conjunto 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 usaría 10,15 gramos por segundo de material solar para producir una aceleración máxima de 10 −9 m/s 2 , lo que produciría una velocidad de 200 km/s después de 5 millones de años. y una distancia de 10 parsecs durante 1 millón de años. En teoría, el motor Bussard funcionaría 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 presembrada
Varias de las dificultades técnicas obvias con el estatorreactor Bussard pueden superarse colocando de antemano bolitas sólidas de combustible a lo largo de la trayectoria de la nave espacial. [16] Esto podría hacerse utilizando una nave espacial "cisterna" diferente que arroje bolitas de combustible [16] [17] o utilizando propulsión láser. [18] El método ha sido denominado "pista de fusión", [16] [18] pista de ramjet [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 se puede lograr golpeando 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 perdigones esféricamente simétricos ni la aplicación de fuerza desde todas las direcciones. [dieciséis]
Las pastillas de combustible podrían utilizar isótopos como el deuterio (hidrógeno-2) o el tritio (hidrógeno-3). [20] Un estatorreactor Bussard convencional recolectará 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 necesaria ]
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 necesaria ]
Aunque el combustible prelanzado para el estatorreactor anula una de las ventajas del diseño Bussard (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 de el combustible y la masa del cohete al mismo tiempo. [ cita necesaria ]
El combustible prelanzado proporcionaría cierta visibilidad en el medio interestelar, alertando así a la nave espacial que la sigue sobre peligros invisibles (por ejemplo, enanas marrones ). [ cita necesaria ]
Las principales desventajas de este sistema incluyen: [ cita necesaria ]
La necesidad de interceptar con precisión los perdigones de la pista de fusión con una nave espacial que se mueve a alta velocidad. Se podrían utilizar pulsos láser para guiar los gránulos. [dieciséis]
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 rozado del Sol para alcanzar los 600 km/s. [dieciséis]
La nave espacial no podía desviarse de la trayectoria precalculada a menos que fuera crítico. Cualquier desviación de este tipo separaría a la nave espacial de su suministro de combustible y la dejaría con sólo una capacidad mínima para regresar a su trayectoria original. [ cita necesaria ]
El combustible prelanzado para la desaceleración en la estrella de destino no estaría disponible a menos que se lanzara muchas décadas antes del lanzamiento de la nave espacial. Sin embargo, se podrían utilizar otros sistemas (como las velas magnéticas ) para este fin. [ cita necesaria ]
^ Bussard, Robert W. (1960). Materia Galáctica y Vuelo Interestelar (PDF) . Acta Astronáutica . vol. 6. págs. 179-195. Archivado desde el original (PDF) el 17 de abril de 2018 . Consultado el 4 de octubre de 2014 .
^ Heppenheimer, TA (1978). "Sobre la inviabilidad de los estatorreactores interestelares". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 31 : 222. Código bibliográfico : 1978JBIS...31..222H.
^ Whitmire, Daniel P. (mayo-junio de 1975). "Vuelos espaciales relativistas y el estatorreactor nuclear catalítico" (PDF) . Acta Astronáutica . 2 (5–6): 497–509. Código bibliográfico : 1975AcAau...2..497W. CiteSeerX 10.1.1.492.6775 . doi :10.1016/0094-5765(75)90063-6. Archivado desde el original (PDF) el 31 de octubre de 2018 . Consultado el 30 de agosto de 2009 .
^ Andrews, director general; Zubrin, RM (1988). Velas magnéticas y viajes interestelares . 39º Congreso Astronáutico Internacional , Bangalore. Arte. Documento IAF IAF-88-533.
^ Schattschneider, Peter; Jackson, Albert A. (febrero de 2022). "El estatorreactor Fishback revisado". Acta Astronáutica . 191 : 227–234. Código Bib : 2022AcAau.191..227S. doi : 10.1016/j.actaastro.2021.10.039 .
^ Ouellette, Jennifer (6 de enero de 2022). "Estudio: el diseño de un ramjet de 1960 para viajes interestelares, un elemento básico de la ciencia ficción, es inviable". Ars Técnica . Archivado desde el original el 23 de enero de 2024.
^ "Tecnologías innovadoras de la ciencia ficción para aplicaciones espaciales" (PDF) . esa.it. pag. 13. Archivado (PDF) desde el original el 28 de diciembre de 2023 . Consultado el 2 de mayo de 2023 .
^ Vínculo, A. (1974). "Un análisis del rendimiento potencial del cohete interestelar aumentado Ram". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 27 : 674–688. Código bibliográfico : 1974JBIS...27..674B.
^ Powell, C. (1976). "Optimización del sistema para el cohete interestelar aumentado Ram". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 29 (2): 136. Código bibliográfico : 1976JBIS...29..136P.
^ Jackson, A. (1980). "Algunas consideraciones sobre el cohete interestelar aumentado con antimateria y Fusion Ram". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 33 : 117-120. Código Bib : 1980JBIS...33..117J.
^ Puede encontrar 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). "Estatorreactor interestelar propulsado por láser". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 30 : 223–226. Código Bib : 1977JBIS...30..223W.
^ Perakis, N.; Andreas M. Hein (2016). "Combinación de velas magnéticas y eléctricas para la desaceleración interestelar". Universidad de Cornell . 128 : 13-20. arXiv : 1603.03015 . Código bibliográfico : 2016AcAau.128...13P. doi :10.1016/j.actaastro.2016.07.005. S2CID 17732634.
^ Caplan, Matthew (17 de diciembre de 2019). "Motores estelares: consideraciones de diseño para maximizar la aceleración". Acta Astronáutica . 165 : 96-104. Código Bib : 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
^ abcdef discutido en Gilster, P. (2004). Centauri Dreams: imaginando y planificando la exploración interestelar. Saltador. págs. 146–8. ISBN 978-0-387-00436-5.También en la entrada 'Una pista de fusión hacia estrellas cercanas' de centauri-dreams.org.
^ ab Matloff, Gregory L. (31 de agosto de 2006). Sondas del espacio profundo: hacia el sistema solar exterior y más allá. Medios de ciencia y negocios de Springer. págs. 118-120. ISBN978-3-540-27340-0.
^ ab "Bussard bomba de zumbido (Jordin Kare)". yarchive.net . Consultado el 22 de enero de 2024 .
^ ab Lenard, Roger X.; Lipinski, Ronald J. (19 de enero de 2000). "Misiones de encuentro interestelar que emplean sistemas de propulsión por fisión". Actas de la conferencia AIP . 504 (1). Instituto Americano de Física : 1544-1555. doi : 10.1063/1.1290979. ISSN 1551-7616.
^ Wang, Brian (20 de junio de 2017). "Pista de aterrizaje de pellets de fusión nuclear". nextbigfuture.com . Archivado desde el original el 23 de enero de 2024 . Consultado el 22 de enero de 2024 .
Bibliografía
Para obtener más información sobre los cálculos matemáticos del ramjet, consulte Mallove, Eugene F.; Matloff, Gregory L. (1989). El manual de vuelo estelar. Wiley. ISBN 978-0-471-61912-3.
Matloff, Gregory (5 de agosto de 2005). Sondas del espacio profundo: hacia el sistema solar exterior y más allá . Libros de práctica de Springer. ISBN 978-3540247722.
Anderson, Poul (2006). Tau Cero . Gollancz. ISBN 978-1407239132.
