En un cohete fotónico nuclear tradicional , un reactor nuclear a bordo generaría temperaturas tan altas que la radiación del cuerpo negro del reactor proporcionaría un empuje significativo. La desventaja es que se necesita mucha potencia para generar una pequeña cantidad de empuje de esta manera, por lo que la aceleración es muy baja. Lo más probable es que los radiadores de fotones se construyan con grafito o tungsteno . Los cohetes fotónicos son tecnológicamente viables, pero poco prácticos con la tecnología actual basada en una fuente de energía nuclear a bordo.
La potencia por empuje necesaria para un haz de salida perfectamente colimado es de 300 MW / N (la mitad si puede reflejarse en la nave); Se necesitarían fuentes de energía de muy alta densidad de energía para proporcionar un empuje razonable sin un peso excesivo. El impulso específico de un cohete fotónico es más difícil de definir, ya que la salida no tiene masa (en reposo) y no es combustible gastado; Si tomamos el impulso por inercia de los fotones, el impulso específico es justamente c , lo cual es impresionante. Sin embargo, considerando la masa de la fuente de fotones, por ejemplo, átomos sometidos a fisión nuclear , el impulso específico se reduce a 300 km/s ( c /1000) o menos; considerar la infraestructura para un reactor (algunos de los cuales también aumentan con la cantidad de combustible) reduce aún más el valor. Finalmente, cualquier pérdida de energía que no sea a través de radiación que se redirija precisamente hacia popa, sino que sea conducida por los soportes del motor, radiada en alguna otra dirección o perdida a través de neutrinos , degradará aún más la eficiencia. Si tuviéramos que establecer el 80% de la masa del cohete de fotones = combustible fisionable, y reconociendo que la fisión nuclear convierte alrededor del 0,10% de la masa en energía: entonces, si el cohete de fotones pesa 300.000 kg, entonces 240.000 kg de eso son combustible atómico. Por tanto, la fisión de todo el combustible supondrá la pérdida de sólo 240 kg de masa. Entonces 300.000/299.760 kg = un m i / m f de 1,0008. Usando la ecuación del cohete , encontramos v f = ln 1,0008 × c donde c = 299 792 458 m/s. v f entonces puede ser 239,930 m/s, lo que equivale aproximadamente a 240 km/s. El cohete de fotones propulsado por fisión nuclear puede acelerar a un máximo de quizás 1/10.000 m/s² (0,1 mm/s²), lo que equivale a 10 −5 g . El cambio de velocidad sería del orden de 3.000 m/s por año de empuje del cohete de fotones.
Si un cohete de fotones comienza su viaje en una órbita terrestre baja , entonces puede ser necesario un año de impulso para alcanzar una velocidad de escape de la Tierra de 11,2 km/s si el vehículo ya está en órbita a una velocidad de 9.100 m/s. Al escapar del campo gravitacional de la Tierra, el cohete tendrá una velocidad heliocéntrica de 30 km/s en el espacio interplanetario. Se necesitarían entonces ochenta años de empuje fotónico constante para obtener una velocidad final de 240 km/s en este caso hipotético.
Es posible obtener un impulso específico aún mayor; el de algunos otros dispositivos de propulsión fotónica (por ejemplo, velas solares ) es efectivamente infinito porque no se requiere transporte de combustible. Alternativamente, dispositivos como los propulsores de iones , aunque tienen un impulso específico notablemente menor, dan una relación empuje-potencia mucho mejor; para los fotones, esa proporción es , mientras que para las partículas lentas (es decir, no relativistas; incluso la salida de los típicos propulsores iónicos cuenta) la proporción es , que es mucho mayor (ya que ). (Ésta es, en cierto sentido, una comparación injusta, ya que los fotones deben crearse y otras partículas simplemente se aceleran , pero aun así los impulsos por masa transportada y por energía aplicada -las cantidades prácticas- son las dadas.) El cohete fotónico es, por tanto, un despilfarro. cuando la potencia y no la masa es lo más importante, o cuando se puede ahorrar suficiente masa mediante el uso de una fuente de energía más débil, esa masa de reacción se puede incluir sin penalización.
Un láser podría usarse como motor de cohete de fotones y resolvería el problema de reflexión/colimación, pero los láseres son absolutamente menos eficientes para convertir energía en luz que la radiación de cuerpo negro, aunque también se deben tener en cuenta los beneficios de los láseres frente a la fuente de cuerpo negro, incluyendo haz controlable unidireccional y la masa y durabilidad de la fuente de radiación. Las limitaciones que plantea la ecuación del cohete se pueden superar, siempre y cuando la masa de reacción no sea transportada por la nave espacial. En el concepto de propulsión láser por haz (BLP), los fotones se transmiten desde la fuente de fotones a la nave espacial como luz coherente. Robert L. Forward fue pionero en conceptos de propulsión interestelar, incluida la propulsión de fotones y la propulsión de cohetes de antimateria . Sin embargo, BLP está limitado debido a la extremadamente baja eficiencia de generación de empuje de la reflexión de fotones. Una de las mejores formas de superar la ineficiencia inherente en la producción de empuje del propulsor de fotones es amplificar la transferencia de impulso de los fotones reciclando fotones entre dos espejos de alta reflectancia.
Los diseños de reactores de fisión actuales o de corto plazo viables pueden generar hasta 2,2 kW por kilogramo de masa del reactor. [ cita necesaria ] Sin ninguna carga útil, un reactor de este tipo podría impulsar un cohete de fotones a casi 10 −5 m/s² (10 −6 g ; ver fuerza g ). Esto quizás podría proporcionar capacidad de vuelos espaciales interplanetarios desde la órbita terrestre. También podrían utilizarse reactores de fusión nuclear , que tal vez proporcionen una potencia algo mayor. [ cita necesaria ]
Un diseño propuesto en la década de 1950 por Eugen Sänger utilizó la aniquilación de positrones y electrones para producir rayos gamma . Sänger no pudo resolver el problema de cómo reflejar y colimar los rayos gamma creados por la aniquilación de positrones y electrones; sin embargo, al proteger las reacciones (u otras aniquilaciones ) y absorber su energía, se podría crear un sistema de propulsión de cuerpo negro similar. Un cohete de fotones propulsado por antimateria y materia obtendría (sin tener en cuenta el blindaje) el máximo impulso específico c ; Por esta razón, un cohete de fotones propulsado por aniquilación de antimateria y materia podría utilizarse potencialmente para vuelos espaciales interestelares . [ cita necesaria ]
En teoría, otros diseños, como las naves espaciales que utilizan un microagujero negro Kugelblitz, también podrían utilizarse para viajes interestelares, dada la eficiencia de los agujeros negros a la hora de convertir materia en energía. [ cita necesaria ]
