La propulsión impulsada por haces , también conocida como propulsión de energía dirigida, es una clase de propulsión de aeronaves o naves espaciales que utiliza energía transmitida a la nave espacial desde una planta de energía remota para proporcionar energía. El haz suele ser de microondas o láser y puede ser pulsado o continuo. Un haz continuo se presta para cohetes térmicos , propulsores fotónicos y velas ligeras , mientras que un haz pulsado se presta para propulsores ablativos y motores de detonación por impulsos . [1]
La regla general que suele citarse es que se necesita un megavatio de potencia transmitido a un vehículo por kg de carga útil mientras se acelera para permitirle alcanzar la órbita terrestre baja . [2]
Además del lanzamiento a órbita, también se han propuesto aplicaciones para moverse rápidamente alrededor del mundo.
Los cohetes son máquinas de impulso ; Utilizan la masa expulsada del cohete para darle impulso. El momento es el producto de la masa y la velocidad, por lo que los cohetes generalmente intentan poner la mayor velocidad posible en su masa de trabajo , minimizando así la cantidad de masa de trabajo que se necesita. Para acelerar la masa de trabajo se necesita energía . En un cohete convencional, el combustible se combina químicamente para proporcionar energía, y los productos del combustible resultantes, las cenizas o los gases de escape, se utilizan como masa de trabajo.
No hay ninguna razón particular por la que deba utilizarse el mismo combustible tanto para la energía como para el impulso. En el motor a reacción , por ejemplo, el combustible se utiliza únicamente para producir energía, la masa de trabajo la proporciona el aire por el que vuela el avión. En los motores a reacción modernos, la cantidad de aire propulsada es mucho mayor que la cantidad de aire utilizada para obtener energía. Sin embargo, esta no es una solución para los cohetes, ya que rápidamente ascienden a altitudes donde el aire es demasiado fino para ser útil como fuente de masa de trabajo.
Sin embargo, los cohetes pueden transportar su masa de trabajo y utilizar alguna otra fuente de energía. El problema es encontrar una fuente de energía con una relación potencia-peso que compita con los combustibles químicos. Los pequeños reactores nucleares pueden competir en este sentido, y en la década de 1960 se llevó a cabo un trabajo considerable sobre propulsión térmica nuclear , pero las preocupaciones ambientales y el aumento de los costos llevaron al fin de la mayoría de estos programas.
Se puede lograr una mejora adicional eliminando la creación de energía de la nave espacial. Si el reactor nuclear se deja en tierra y su energía se transmite a la nave espacial, también se elimina el peso del reactor. La cuestión entonces es hacer llegar la energía a la nave espacial. Ésta es la idea detrás del poder transmitido.
Con la propulsión por haces se puede dejar la fuente de energía fija en el suelo y directamente (o mediante un intercambiador de calor ) calentar el propulsor en la nave espacial con un máser o un rayo láser desde una instalación fija. Esto permite a la nave espacial dejar su fuente de energía en casa, ahorrando cantidades significativas de masa y mejorando enormemente el rendimiento.
Dado que un láser puede calentar el propulsor a temperaturas extremadamente altas, esto mejora potencialmente en gran medida la eficiencia de un cohete, ya que la velocidad de escape es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura. Los cohetes químicos normales tienen una velocidad de escape limitada por la cantidad fija de energía en los propulsores, pero los sistemas de propulsión por haces no tienen ningún límite teórico particular (aunque en la práctica existen límites de temperatura). [ cita necesaria ]
En la propulsión térmica por microondas, se utiliza un haz de microondas externo para calentar un intercambiador de calor refractario a >1500 K, calentando a su vez un propulsor como hidrógeno, metano o amoníaco. Esto mejora el impulso específico y la relación empuje/peso del sistema de propulsión en relación con la propulsión de cohete convencional. Por ejemplo, el hidrógeno puede proporcionar un impulso específico de 700 a 900 segundos y una relación empuje/peso de 50 a 150. [3]
Una variación, desarrollada por los hermanos James Benford y Gregory Benford , consiste en utilizar la desorción térmica del propulsor atrapado en el material de una vela de microondas de gran tamaño . Esto produce una aceleración muy alta en comparación con las velas impulsadas por microondas únicamente.
Algunos mecanismos de propulsión de naves espaciales propuestos utilizan propulsión de naves espaciales propulsada eléctricamente , en la que la energía eléctrica es utilizada por un motor de cohete propulsado eléctricamente, como un propulsor de iones o un motor de propulsión de plasma . Por lo general, estos esquemas asumen paneles solares o un reactor a bordo. Sin embargo, ambas fuentes de energía son pesadas.
La propulsión por haz en forma de láser se puede utilizar para enviar energía a un panel fotovoltaico , para propulsión eléctrica por láser. En este sistema, si incide alta intensidad sobre el panel solar, es necesario un diseño cuidadoso de los paneles para evitar una caída de la eficiencia de conversión debido a los efectos del calentamiento. John Brophy ha analizado la transmisión de energía láser a una matriz fotovoltaica que alimenta un sistema de propulsión eléctrica de alta eficiencia como medio para lograr misiones de alto delta-V, como una misión precursora interestelar, en un proyecto de Conceptos Avanzados Innovadores de la NASA . [4]
Se podría utilizar un haz de microondas para enviar energía a una rectina , para la propulsión eléctrica por microondas . La potencia de transmisión por microondas se ha demostrado en la práctica varias veces (por ejemplo, Goldstone, California en 1974), las rectennas son potencialmente livianas y pueden manejar alta potencia con una alta eficiencia de conversión. Sin embargo, las rectennas tienden a tener que ser muy grandes para capturar una cantidad significativa de energía.
También se podría utilizar una viga para proporcionar impulso "empujando" directamente la vela.
Un ejemplo de esto sería utilizar una vela solar para reflejar un rayo láser. Este concepto, llamado vela de luz impulsada por láser, fue propuesto inicialmente por G. Marx [5] , pero fue analizado en detalle por primera vez y elaborado por el físico Robert L. Forward en 1989 [6] como un método de viaje interestelar que evitaría relaciones de masa extremadamente altas al no llevar combustible. Landis , [7] [8] Mallove y Matloff, [9] Andrews [10] Lubin, [11] y otros realizaron un análisis más detallado del concepto .
En un artículo posterior, Forward propuso impulsar una vela con un haz de microondas. [12] Esto tiene la ventaja de que la vela no necesita ser una superficie continua. Forward etiquetó su propuesta de vela ultraligera como " Starwisp ". Un análisis posterior realizado por Landis [13] sugirió que el concepto Starwisp propuesto originalmente por Forward no funcionaría, pero se podrían implementar variaciones de la propuesta.
El haz debe tener un diámetro grande para que solo una pequeña porción del haz no alcance la vela debido a la difracción y la antena láser o de microondas debe tener una buena estabilidad de apuntamiento para que la embarcación pueda inclinar sus velas lo suficientemente rápido como para seguir el centro. de la viga. Esto se vuelve más importante cuando se pasa de un viaje interplanetario a un viaje interestelar , y cuando se pasa de una misión de sobrevuelo a una misión de aterrizaje y a una misión de regreso. El láser o el emisor de microondas serían probablemente un gran conjunto en fases de pequeños dispositivos que obtienen su energía directamente de la radiación solar. El tamaño de la matriz elimina la necesidad de una lente o espejo.
Otro concepto impulsado por un haz sería utilizar una vela magnética o una vela MMPP para desviar un haz de partículas cargadas de un acelerador de partículas o un chorro de plasma . [14] Landis propuso una vela impulsada por un haz de partículas en 1989, [7] y la analizó con más detalle en un artículo de 2004. [15] Jordin Kare ha propuesto una variante de esto mediante la cual un "haz" de pequeñas velas ligeras aceleradas por láser transferiría impulso a un vehículo de vela magnética. [dieciséis]
Otro concepto de empuje por haz utiliza bolitas o proyectiles de materia ordinaria. Una corriente de perdigones provenientes de un impulsor de masa estacionario es "reflejada" por la nave espacial, cf. conductor de masas . [17] La nave espacial no necesita energía ni masa de reacción para su propia propulsión.
Una nave ligera es un vehículo actualmente [ ¿cuándo? ] en desarrollo que utiliza una fuente pulsada externa de láser o energía máser para proporcionar energía para producir empuje.
El láser brilla sobre un reflector parabólico en la parte inferior del vehículo que concentra la luz para producir una región de temperatura extremadamente alta. El aire en esta región se calienta y se expande violentamente, produciendo un empuje con cada pulso de luz láser. En el espacio, una nave ligera necesitaría proporcionar este gas desde tanques a bordo o desde un sólido ablativo. Al dejar la fuente de energía del vehículo en tierra y utilizar la atmósfera ambiental como masa de reacción durante gran parte de su ascenso, una nave ligera sería capaz de poner en órbita un porcentaje muy grande de su masa de lanzamiento. También podría resultar muy barato de fabricar.
Temprano en la mañana del 2 de octubre de 2000, en el Centro de pruebas de sistemas láser de alta energía (HELSTF), Lightcraft Technologies, Inc. (LTI), con la ayuda de Franklin B. Mead del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. y Leik Myrabo, establecieron un nuevo mundo. récord de altitud de 233 pies (71 m) para su cohete impulsado por láser de 4,8 pulgadas (12,2 cm) de diámetro y 1,8 onzas (51 g) en un vuelo que duró 12,7 segundos. [18] Aunque gran parte del vuelo de las 8:35 am transcurrió flotando a más de 230 pies, el Lightcraft obtuvo un récord mundial por el vuelo libre más largo jamás impulsado por láser y el mayor "tiempo en el aire" (es decir, despegue a aterrizaje). /recovery) de un objeto propulsado por luz. Esto es comparable al primer vuelo de prueba de Robert Goddard de su diseño de cohete. Aumentar la potencia del láser a 100 kilovatios permitirá vuelos a una altitud de hasta 30 kilómetros. Su objetivo es acelerar un microsatélite de un kilogramo hacia la órbita terrestre baja utilizando un láser terrestre de un megavatio hecho a medida. Un sistema de este tipo utilizaría apenas unos 20 dólares de electricidad, lo que haría que los costos de lanzamiento por kilogramo fueran muchas veces menores que los costos de lanzamiento actuales (que se miden en miles de dólares). [ cita necesaria ]
El diseño de " lightcraft " de Myrabo es una nave reflectante en forma de embudo que canaliza el calor del láser hacia el centro, utilizando una superficie parabólica reflectante que hace que el láser literalmente explote el aire debajo de él, generando sustentación. Las superficies reflectantes de la nave enfocan el haz en un anillo, donde calienta el aire a una temperatura casi cinco veces más alta que la superficie del Sol, lo que hace que el aire se expanda explosivamente para generar impulso.
Un cohete térmico láser es un cohete térmico en el que el propulsor se calienta mediante la energía proporcionada por un rayo láser externo. [19] [20] En 1992, el fallecido Jordin Kare propuso un concepto más simple y de corto plazo que tiene un cohete que contiene hidrógeno líquido. [21] El propulsor se calienta en un intercambiador de calor sobre el que incide el rayo láser antes de salir del vehículo a través de una boquilla convencional. Este concepto puede utilizar láseres de haz continuo y los láseres semiconductores ahora son rentables para esta aplicación. [22] [23]
En 2002, Kevin LG Parkin propuso un sistema similar utilizando microondas. [3] [24] [25] [26] En mayo de 2012, el Proyecto del Sistema de Lanzamiento Térmico de Ondas Milimétricas (MTLS) de DARPA/NASA [27] inició los primeros pasos hacia la implementación de esta idea. El Proyecto MTLS fue el primero en demostrar un intercambiador de calor refractario absorbente de ondas milimétricas, integrándolo posteriormente en el sistema de propulsión de un pequeño cohete para producir el primer cohete térmico de ondas milimétricas. Al mismo tiempo, desarrolló el primer director de haz de ondas milimétricas objetivo cooperativo de alta potencia y lo utilizó para intentar el primer lanzamiento de un cohete térmico de ondas milimétricas. Se intentaron varios lanzamientos, pero los problemas con el director del haz no pudieron resolverse antes de que se agotara la financiación en marzo de 2014.
La motivación para desarrollar sistemas de propulsión propulsados por haces proviene de las ventajas económicas que se obtendrían como resultado de un mejor rendimiento de la propulsión. En el caso de los vehículos de lanzamiento propulsados por haces, un mejor rendimiento de la propulsión permite cierta combinación de una mayor fracción de carga útil, mayores márgenes estructurales y menos etapas. El estudio de JASON de 1977 sobre propulsión láser, [28] escrito por Freeman Dyson , articula sucintamente la promesa del lanzamiento impulsado por haz:
"La propulsión láser es una idea que puede producir una revolución en la tecnología espacial. En teoría, una sola instalación láser en tierra puede lanzar vehículos de una sola etapa a una órbita terrestre baja o alta. La carga útil puede ser del 20% o el 30% de la carga del vehículo. "Bajo peso. Es mucho más económico en el uso de masa y energía que la propulsión química, y es mucho más flexible a la hora de poner vehículos idénticos en una variedad de órbitas".
Esta promesa fue cuantificada en un estudio Lockheed de 1978 [29] realizado para la NASA:
"Los resultados del estudio mostraron que, con tecnología avanzada, un sistema de cohete láser con un transmisor láser espacial o terrestre podría reducir el presupuesto nacional asignado al transporte espacial entre 10 y 345 mil millones de dólares durante un ciclo de vida de 10 años cuando en comparación con sistemas avanzados de propulsión química (LO 2 -LH 2 ) de igual capacidad".
Los estudios de la década de 1970 y otros posteriores han citado el costo del director del haz como un posible impedimento para los sistemas de lanzamiento impulsados por haces. Un análisis reciente de costo-beneficio [30] estima que los cohetes térmicos de microondas (o láser) serían económicos una vez que el costo del director del haz caiga por debajo de 20 $/vatio. El coste actual de los láseres adecuados es <100 $/vatio y el coste actual de las fuentes de microondas adecuadas es <$5/vatio. La producción en masa ha reducido el coste de producción de los magnetrones de hornos microondas a <0,01 $/vatio y el de algunos láseres médicos a <10 $/vatio, aunque se cree que no son adecuados para su uso en directores de haz.
En 1964 , William C. Brown demostró un helicóptero en miniatura equipado con una combinación de antena y dispositivo rectificador llamado rectenna . La reccena convirtió la energía de las microondas en electricidad, lo que permitió que el helicóptero volara. [31]
En 2002, un grupo japonés propulsó un diminuto avión de aluminio utilizando un láser para vaporizar una gota de agua adherida a él, y en 2003, investigadores de la NASA volaron un modelo de avión de 11 onzas (312 g) con una hélice propulsada por paneles solares iluminados por un láser. . [32] Es posible que dicha propulsión impulsada por haces pueda ser útil para aviones o globos no tripulados de gran altitud y larga duración, tal vez diseñados para servir –como lo hacen los satélites hoy en día– como retransmisores de comunicación, plataformas científicas o plataformas de vigilancia.
Se ha propuesto una " escoba láser " para barrer los desechos espaciales de la órbita terrestre. Este es otro uso propuesto de la propulsión por haz, utilizada en objetos que no fueron diseñados para ser propulsados por ella, por ejemplo, pequeños trozos de chatarra desprendidos ("descantillados") de satélites. La técnica funciona porque la potencia del láser elimina un lado del objeto, dando un impulso que cambia la excentricidad de la órbita del objeto. La órbita entonces cruzaría la atmósfera y se quemaría.
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