Un bucle de lanzamiento , o bucle de Lofstrom , es un sistema propuesto para lanzar objetos a órbita utilizando un sistema similar a un cable móvil situado dentro de una funda unida a la Tierra en dos extremos y suspendida sobre la atmósfera en el medio. El concepto de diseño fue publicado por Keith Lofstrom y describe un sistema de transporte por cable maglev de estructura activa que tendría alrededor de 2000 km (1240 millas) de largo y se mantendría a una altitud de hasta 80 km (50 millas). Un bucle de lanzamiento se mantendría a esta altitud por el impulso de un cinturón que circula alrededor de la estructura. Esta circulación, en efecto, transfiere el peso de la estructura a un par de cojinetes magnéticos, uno en cada extremo, que la sostienen.
Los bucles de lanzamiento están destinados a lograr el lanzamiento espacial sin cohetes de vehículos que pesan 5 toneladas métricas acelerándolos electromagnéticamente para que se proyecten a la órbita terrestre o incluso más allá. Esto se conseguiría gracias a la parte plana del cable que forma una pista de aceleración sobre la atmósfera. [1]
El sistema está diseñado para ser adecuado para el lanzamiento de seres humanos para el turismo espacial , la exploración espacial y la colonización espacial , y proporciona una aceleración relativamente baja de 3 g . [2]
Los bucles de lanzamiento fueron descritos por Keith Lofstrom en el boletín informativo del Reader's Forum of the American Astronautical Society de noviembre de 1981 y en el L5 News de agosto de 1982.
En 1982, Paul Birch publicó una serie de artículos en el Journal of the British Interplanetary Society que describían anillos orbitales y describían una forma que llamó Sistema de Anillos Orbitales Parciales (PORS). [3] Lofstrom trabajó con más detalle en la idea del circuito de lanzamiento alrededor de 1983-1985. [2] [4] Es una versión desarrollada de PORS diseñada específicamente para formar una pista de aceleración de levitación magnética adecuada para lanzar humanos al espacio; pero mientras que el anillo orbital utilizaba levitación magnética superconductora , los bucles de lanzamiento utilizan suspensión electromagnética (EMS).
Consideremos un gran cañón en una isla que dispara un proyectil a la alta atmósfera. El proyectil seguirá una trayectoria aproximadamente parabólica durante el vuelo inicial, pero la resistencia ralentizará el proyectil y hará que regrese a la Tierra en un trayectoria mucho más vertical. Se podría hacer que el camino sea puramente balístico encerrando el camino previsto en un tubo y eliminando el aire. Suspender un tubo de este tipo supondría un problema importante dependiendo de la longitud del camino. Sin embargo, se puede utilizar el armazón para proporcionar esta fuerza de elevación, al menos temporalmente. Si el tubo no está exactamente a lo largo de la trayectoria de vuelo del proyectil, sino ligeramente por debajo de él, cuando el proyectil pasa a través del tubo, será forzado hacia abajo, produciendo así una fuerza hacia arriba sobre el tubo. Para mantenerse en el aire, el sistema requeriría que los proyectiles se dispararan continuamente.
El ciclo de lanzamiento es esencialmente una versión continua de este concepto. En lugar de que un cañón dispare un proyectil, un conductor de masa acelera un cable en una trayectoria similar. El cable está rodeado por un tubo de vacío, que se mantiene en alto empujando el cable hacia abajo mediante electroimanes . Cuando el cable vuelve a caer a la Tierra en el otro extremo de la trayectoria, es capturado por un segundo impulsor de masa, lo dobla 180 grados y lo envía de regreso a la trayectoria opuesta. El resultado es un único bucle que viaja continuamente y mantiene el tubo en alto.
Para utilizar el sistema como lanzador espacial, un circuito de lanzamiento tendría unos 2.000 kilómetros de largo y 80 kilómetros de alto. El bucle tendría forma de tubo, conocido como funda . Flotando dentro de la funda hay otro tubo continuo, conocido como rotor, que es una especie de correa o cadena. El rotor es un tubo de hierro de aproximadamente 5 cm (2 pulgadas) de diámetro, que se mueve alrededor del circuito a 14 km/s (31.000 millas por hora). Mantener el sistema en alto requiere una cantidad significativa de sustentación y la trayectoria resultante es mucho más plana que la trayectoria balística natural del rotor. [2]
Debido a la posibilidad de que el circuito falle y caiga a la Tierra, normalmente se considera que corre entre dos islas fuera de las rutas de transporte pesado.
Cuando está en reposo, el bucle está al nivel del suelo. A continuación se acelera el rotor hasta alcanzar su velocidad. A medida que aumenta la velocidad del rotor, se curva para formar un arco. La estructura se sostiene gracias a la fuerza del rotor, que intenta seguir una trayectoria parabólica. Los anclajes al suelo lo obligan a ir paralelo a la tierra al alcanzar la altura de 80 kilómetros. Una vez elevada, la estructura requiere energía continua para superar la energía disipada. Se necesitaría energía adicional para impulsar cualquier vehículo que se lance. [2]
Para el lanzamiento, los vehículos se elevan sobre un cable 'elevador' que cuelga del muelle de carga de la estación Oeste a 80 km y se colocan en la vía. La carga útil aplica un campo magnético que genera corrientes parásitas en el rotor de rápido movimiento. Esto levanta la carga útil del cable y la arrastra con una aceleración de 3 g (30 m/s²). Luego, la carga útil viaja sobre el rotor hasta que alcanza la velocidad orbital requerida y abandona la pista. [2]
Si se necesita una órbita estable o circular, una vez que la carga útil alcanza la parte más alta de su trayectoria, se necesita un motor de cohete a bordo ("motor de patada") u otros medios para circular la trayectoria a la órbita terrestre apropiada. [2]
La técnica de las corrientes parásitas es compacta, ligera y potente, pero ineficiente. Con cada lanzamiento, la temperatura del rotor aumenta en 80 kelvin debido a la disipación de energía. Si los lanzamientos se realizan demasiado juntos, la temperatura del rotor puede acercarse a los 770 °C (1043 K), momento en el que el rotor de hierro pierde sus propiedades ferromagnéticas y se pierde la contención del rotor. [2]
Las órbitas cerradas con un perigeo de 80 km decaen y vuelven a entrar con bastante rapidez, pero además de dichas órbitas, un bucle de lanzamiento por sí solo también sería capaz de inyectar directamente cargas útiles en órbitas de escape , trayectorias asistidas por gravedad más allá de la Luna y otras órbitas no órbitas cerradas como las cercanas a los puntos troyanos .
Para acceder a órbitas circulares utilizando un bucle de lanzamiento, sería necesario lanzar un "motor de patada" relativamente pequeño con la carga útil que se dispararía en el apogeo y circularía la órbita. Para la inserción GEO, esto necesitaría proporcionar un delta-v de aproximadamente 1,6 km/s, para que LEO circularice a 500 km requeriría un delta-v de sólo 120 m/s. Los cohetes convencionales requieren delta-vs de aproximadamente 14 y 10 km/s para alcanzar GEO y LEO respectivamente. [2]
Los bucles de lanzamiento en el diseño de Lofstrom se colocan cerca del ecuador [2] y sólo pueden acceder directamente a órbitas ecuatoriales. Sin embargo, se podrían alcanzar otros planos orbitales mediante cambios de plano a gran altitud, perturbaciones lunares o técnicas aerodinámicas.
La capacidad de velocidad de lanzamiento de un circuito de lanzamiento está limitada en última instancia por la temperatura y la velocidad de enfriamiento del rotor a 80 por hora, pero eso requeriría una central eléctrica de 17 GW ; una central eléctrica más modesta de 500 MW es suficiente para 35 lanzamientos al día. [2]
Para que un circuito de lanzamiento sea económicamente viable, se necesitarían clientes con requisitos de lanzamiento de carga útil suficientemente grandes.
Lofstrom estima que un bucle inicial que cueste aproximadamente 10.000 millones de dólares con un retorno de inversión de un año podría lanzar 40.000 toneladas métricas por año y reducir los costos de lanzamiento a 300 dólares/kg. Por 30 mil millones de dólares, con una mayor capacidad de generación de energía, el circuito sería capaz de lanzar 6 millones de toneladas métricas por año, y dado un período de recuperación de cinco años, los costos de acceso al espacio con un circuito de lanzamiento podrían ser tan bajos como 3 dólares/ kg. [5]
En comparación con los ascensores espaciales, no es necesario desarrollar nuevos materiales de alta resistencia a la tracción, ya que la estructura resiste la gravedad de la Tierra soportando su propio peso con la energía cinética del bucle en movimiento, y no mediante la fuerza de tracción.
Se espera que los circuitos de lanzamiento de Lofstrom se lancen a altas velocidades (muchos lanzamientos por hora, independientemente del clima) y no sean inherentemente contaminantes. Los cohetes generan contaminación, como nitratos, en sus gases de escape debido a la alta temperatura de los gases de escape y pueden generar gases de efecto invernadero dependiendo de la elección del propulsor. Los bucles de lanzamiento como forma de propulsión eléctrica pueden ser limpios y funcionar con energía geotérmica, nuclear, eólica, solar o cualquier otra fuente de energía, incluso intermitente, ya que el sistema tiene una enorme capacidad de almacenamiento de energía incorporada.
A diferencia de los ascensores espaciales, que tendrían que viajar a través de los cinturones de Van Allen durante varios días, los pasajeros del circuito de lanzamiento pueden ser lanzados a la órbita terrestre baja, que se encuentra debajo de los cinturones, o a través de ellos en unas pocas horas. Esta sería una situación similar a la que enfrentaron los astronautas del Apolo, quienes recibieron dosis de radiación de alrededor del 0,5% de las que daría el ascensor espacial. [6]
A diferencia de los ascensores espaciales, que están expuestos a los riesgos de los desechos espaciales y los meteoritos en toda su longitud, los circuitos de lanzamiento deben situarse a una altitud en la que las órbitas sean inestables debido a la resistencia del aire. Dado que los escombros no persisten, solo tienen una oportunidad de impactar la estructura. Mientras que se espera que el período de colapso de los ascensores espaciales sea del orden de años, se espera que el daño o el colapso de los bucles de esta manera sea poco común. Además, los circuitos de lanzamiento en sí no son una fuente importante de desechos espaciales, ni siquiera en caso de accidente. Todos los desechos generados tienen un perigeo que cruza la atmósfera o está a velocidad de escape.
Los circuitos de lanzamiento están destinados al transporte humano, para proporcionar una aceleración segura de 3 g que la gran mayoría de las personas sería capaz de tolerar bien [2] y sería una forma mucho más rápida de llegar al espacio que los ascensores espaciales.
Los bucles de lanzamiento funcionarían de forma silenciosa y no provocarían contaminación acústica, a diferencia de los cohetes.
Finalmente, sus bajos costos de carga útil son compatibles con el turismo espacial comercial a gran escala e incluso con la colonización espacial . [ cita necesaria ]
Un bucle en funcionamiento tendría una cantidad extremadamente grande de energía en su momento lineal. Si bien el sistema de suspensión magnética sería muy redundante, y los fallos de secciones pequeñas esencialmente no tendrían ningún efecto, si ocurriera un fallo importante, la energía en el bucle (1,5×10 15 julios o 1,5 petajulios) se aproximaría a la misma liberación total de energía que un Explosión de una bomba nuclear (350 kilotones de TNT equivalente ), aunque no emite radiación nuclear.
Si bien se trata de una cantidad significativa de energía, es poco probable que destruya gran parte de la estructura debido a su gran tamaño y a que la mayor parte de la energía se vertería deliberadamente en lugares preseleccionados cuando se detecte la falla. Es posible que sea necesario tomar medidas para bajar el cable desde una altitud de 80 km con daños mínimos, por ejemplo mediante el uso de paracaídas.
Por lo tanto, por razones astrodinámicas y de seguridad , los bucles de lanzamiento están destinados a instalarse sobre un océano cerca del ecuador, lejos de lugares habitados.
El diseño publicado de un bucle de lanzamiento requiere control electrónico de la levitación magnética para minimizar la disipación de energía y estabilizar el cable que de otro modo estaría insuficientemente amortiguado.
Los dos principales puntos de inestabilidad son los tramos de inversión y el cable.
Las secciones de giro son potencialmente inestables, ya que el movimiento del rotor alejándose de los imanes reduce la atracción magnética, mientras que los movimientos más cercanos aumentan la atracción. En cualquier caso, se produce inestabilidad. [2] Este problema se resuelve habitualmente con los sistemas de servocontrol existentes que varían la fuerza de los imanes. Aunque la confiabilidad del servo es un problema potencial, a la alta velocidad del rotor, muchas secciones consecutivas tendrían que fallar para que se perdiera la contención del rotor. [2]
Las secciones de cable también comparten este problema potencial, aunque las fuerzas son mucho menores. [2] Sin embargo, existe una inestabilidad adicional en el sentido de que el cable/funda/rotor puede sufrir modos serpenteantes (similares a una cadena Lariat ) que crecen en amplitud sin límite. Lofstrom cree que esta inestabilidad también puede controlarse en tiempo real mediante servomecanismos, aunque esto nunca se ha intentado.
En los trabajos de Alexander Bolonkin se sugiere que el proyecto de Lofstrom tiene muchos problemas sin resolver y que está muy lejos de ser una tecnología actual. [7] [8] [9] Por ejemplo, el proyecto Lofstrom tiene juntas de expansión entre placas de hierro de 1,5 metros. Sus velocidades (bajo gravitación, fricción) pueden ser diferentes y Bolonkin afirma que podrían encajar en el tubo; [ cita necesaria ] y la fuerza y la fricción en el suelo, las secciones de giro de 28 km de diámetro son gigantescas. En 2008, [10] Bolonkin propuso un simple cable giratorio de bucle cerrado para lanzar el aparato espacial de una manera adecuada a la tecnología actual.
Otro proyecto, el cable espacial, es un diseño más pequeño de John Knapman que está destinado a ayudar al lanzamiento de cohetes convencionales y al turismo suborbital. El diseño del cable espacial utiliza pernos discretos en lugar de un rotor continuo, como ocurre con la arquitectura del bucle de lanzamiento. Knapman también ha demostrado matemáticamente que la inestabilidad de los meandros se puede controlar. [11] [12]
El skyhook es otro concepto de sistema de lanzamiento. Skyhook puede ser giratorio o no giratorio. El gancho aéreo no giratorio cuelga desde una órbita terrestre baja hasta justo por encima de la atmósfera terrestre (el cable del gancho aéreo no está conectado a la Tierra). [13] El gancho giratorio cambia este diseño para disminuir la velocidad del extremo inferior; todo el cable gira alrededor de su centro de gravedad. La ventaja de esto es una reducción de velocidad aún mayor para el vehículo de lanzamiento que vuela hasta el extremo inferior del gancho giratorio, lo que genera una carga útil aún mayor y un menor costo de lanzamiento. Las dos desventajas de esto son: el tiempo muy reducido disponible para que el vehículo de lanzamiento que llega se enganche en el extremo inferior del gancho giratorio (aproximadamente de 3 a 5 segundos) y la falta de elección con respecto a la órbita de destino.
