La propulsión láser es una forma de propulsión impulsada por un haz en la que la fuente de energía es un sistema láser remoto (normalmente terrestre) y está separada de la masa de reacción. Esta forma de propulsión se diferencia de un cohete químico convencional, en el que tanto la energía como la masa de reacción proceden de los propulsores sólidos o líquidos que lleva el vehículo.
Existen dos enfoques principales: fuera de la nave, donde la fuente láser es externa a la nave espacial, y a bordo, donde el láser es parte del sistema de propulsión de la nave espacial. La propulsión láser fuera de la nave, que incluye lanzamientos propulsados por láser y velas de luz láser, elimina la necesidad de que la nave espacial lleve su propia fuente de energía. [1] La propulsión láser a bordo implica el uso de láseres en la fusión nuclear o en la ionización de gas interestelar para la propulsión. [1]
Los conceptos básicos que sustentan un sistema de propulsión de "vela" propulsado por fotones fueron desarrollados por Eugene Sanger y el físico húngaro György Marx. Los conceptos de propulsión que utilizan cohetes alimentados por láser fueron desarrollados en la década de 1970 por Arthur Kantrowitz y Wolfgang Moekel, [2] con una variante que utiliza la ablación láser iniciada por Leik Myrabo. [3] Una exposición de las ideas de propulsión láser de Kantrowitz se publicó en 1988. [4]
Los sistemas de propulsión láser pueden transferir impulso a una nave espacial de dos maneras diferentes. La primera utiliza la presión de la radiación de fotones para impulsar la transferencia de impulso y es el principio detrás de las velas solares y las velas láser. El segundo método utiliza el láser para ayudar a expulsar masa de la nave espacial como en un cohete convencional. Por lo tanto, el primero utiliza el láser tanto para la energía como para la masa de reacción, mientras que el segundo utiliza el láser para la energía, pero transporta masa de reacción. Por lo tanto, el segundo está limitado fundamentalmente en las velocidades finales de la nave espacial por la ecuación del cohete .
Una vela de luz impulsada por láser es una vela reflectante delgada similar a una vela solar , en la que la vela es impulsada por un láser, en lugar del sol. La ventaja de la propulsión con vela de luz es que el vehículo no lleva ni la fuente de energía ni la masa de reacción para la propulsión, y por lo tanto se evitan las limitaciones de la ecuación del cohete de Tsiolkovsky para lograr altas velocidades. El uso de una vela de luz impulsada por láser fue propuesto inicialmente por Marx en 1966, [5] como un método de viaje interestelar que evitaría relaciones de masa extremadamente altas al no llevar combustible, y analizado en detalle por el físico Robert L. Forward en 1989. [6] Landis , [7] [8] Mallove y Matloff, [9] Andrews [10] y otros realizaron un análisis más detallado del concepto .
Se requiere un haz de gran diámetro para que solo una pequeña porción no toque la vela debido a la difracción , y la nave espacial debe tener fuertes capacidades de estabilidad de apuntamiento para poder inclinar sus velas lo suficientemente rápido como para seguir el centro del haz. Estos requisitos aumentan en importancia a medida que aumenta la complejidad de la misión, como cuando se pasa de misiones interplanetarias a interestelares , y cuando se pasa de misiones de sobrevuelo a misiones de aterrizaje de ida y luego a misiones de regreso .
El láser también puede consistir en un gran conjunto en fase de pequeños dispositivos que reciben su energía directamente de la radiación solar.
La vela impulsada por láser se propone como método para propulsar una pequeña sonda interestelar en el marco del proyecto Breakthrough Starshot .
Otro método para mover una nave espacial mucho más grande a altas velocidades es usar un sistema láser para impulsar una corriente de velas mucho más pequeñas. Cada vela alternativa se desacelera mediante un láser del sistema de origen para que colisionen a velocidades ionizantes. Las colisiones ionizantes podrían entonces usarse para interactuar con un campo magnético potente en la nave espacial para proporcionar una fuerza para impulsarla y moverla.
Una extensión de la idea es utilizar materiales nucleares en las minivelas. Estos materiales sufrirían fisión o fusión, lo que aumentaría enormemente la magnitud de la fuerza impartida. Sin embargo, este enfoque requeriría velocidades de colisión mucho más altas en comparación con las implementaciones no nucleares.
Metzgar y Landis propusieron una variante de la vela impulsada por láser, en la que los fotones reflejados desde la vela se reutilizan al volver a reflejarlos hacia la vela mediante un espejo estacionario; una "vela basada en láser de rebote múltiple". [11] Esto amplifica la fuerza producida al reciclar los fotones, lo que da como resultado una fuerza considerablemente mayor producida a partir de la misma potencia láser. También existe una configuración de vela fotónica de rebote múltiple que utiliza una lente Fresnel grande alrededor de un sistema de generación láser. En esta configuración, el láser proyecta luz sobre una vela de sonda que la acelera hacia afuera y luego se refleja de vuelta a través de la lente Fresnel para reflejarse en una sonda reflectora más grande y más masiva que va en la otra dirección. La luz láser se refleja de ida y vuelta muchas veces, lo que mejora la fuerza transmitida, pero lo que es más importante, permite que la lente grande permanezca en una posición más estable, ya que no se ve muy influenciada por el impulso de la luz láser.
Una cavidad óptica permite una mayor reutilización de fotones, pero mantener el haz en la cavidad se vuelve mucho más desafiante. Una cavidad óptica se puede hacer con dos espejos de alta reflectancia, formando una cavidad de resonancia óptica Fabry-Pérot en la que cualquier pequeño movimiento de los espejos destruiría la condición de resonancia y anularía el empuje fotónico. Tales cavidades ópticas se utilizan para la detección de ondas gravitacionales como en LIGO , por su extrema sensibilidad al movimiento del espejo. Bae propuso originalmente [12] utilizar el reciclaje de fotones para su uso en un vuelo de formación de satélites con precisión nanométrica por esta razón. Bae, sin embargo, descubrió [13] que en una cavidad óptica activa formada por dos espejos de alta reflectancia y un medio de ganancia láser en el medio, similar a la cavidad láser típica, el reciclaje de fotones se vuelve menos sensible al movimiento de los espejos. Bae nombró al propulsor láser basado en el reciclaje de fotones en una cavidad óptica activa Propulsor láser fotónico (PLT). [14] En 2015, su equipo demostró la cantidad de reciclaje de fotones hasta 1.540 en una distancia de unos pocos metros y empujes fotónicos de hasta 3,5 mN con el uso de un sistema láser de 500 W. En una demostración de laboratorio, [15] un Cubesat (0,75 kg de peso) fue propulsado con PLT. [16]
Existen varias formas de propulsión láser en las que el láser se utiliza como fuente de energía para proporcionar impulso al propulsor que se transporta a bordo del cohete. El uso de un láser como fuente de energía significa que la energía proporcionada al propulsor no está limitada por la energía química del propulsor.
El cohete térmico láser (propulsor de intercambiador de calor (HX)) es un cohete térmico en el que el propulsor se calienta mediante la energía proporcionada por un haz láser externo. [17] [18] El haz calienta un intercambiador de calor sólido, que a su vez calienta un propulsor líquido inerte, convirtiéndolo en gas caliente que se expulsa a través de una boquilla convencional. Esto es similar en principio a la propulsión térmica nuclear y solar térmica . El uso de un intercambiador de calor plano grande permite que el haz láser brille directamente sobre el intercambiador de calor sin enfocar la óptica en el vehículo. El propulsor HX tiene la ventaja de funcionar igualmente bien con cualquier longitud de onda láser y tanto con láseres de onda continua como pulsados, y de tener una eficiencia cercana al 100%. El propulsor HX está limitado por el material del intercambiador de calor y por pérdidas radiativas a temperaturas de gas relativamente bajas, típicamente 1000–2000 °C. Para una temperatura dada, el impulso específico se maximiza con la masa de reacción de peso molecular mínimo y con propulsor de hidrógeno, que proporciona un impulso específico suficiente durante 600–800 segundos, lo suficientemente largo en principio como para permitir que los vehículos de una sola etapa alcancen la órbita terrestre baja. El concepto de propulsor láser HX fue desarrollado por Jordin Kare en 1991; [19] un concepto similar de propulsión térmica por microondas fue desarrollado independientemente por Kevin L. Parkin en Caltech en 2001.
El profesor John Sinko y el doctor Clifford Schlecht propusieron una variación de este concepto como concepto de seguridad redundante para los activos en órbita. [20] Los paquetes de propulsores encerrados se fijan al exterior de un traje espacial, y los canales de escape van desde cada paquete hasta el lado más alejado del astronauta o la herramienta. Un rayo láser desde una estación espacial o un transbordador vaporiza el propulsor dentro de los paquetes. El escape se dirige detrás del astronauta o la herramienta, tirando del objetivo hacia la fuente láser. Para frenar la aproximación, se utiliza una segunda longitud de onda para extirpar el exterior de los paquetes de propulsor en el lado cercano.
En 2022, investigadores de la Universidad McGill publicaron un artículo en el que proponían un sistema de propulsión térmica por láser para enviar una nave espacial a Marte en 45 días . [21] Una de las principales ventajas de utilizar el sistema de propulsión térmica por láser propuesto para enviar naves espaciales a Marte es reducir la exposición de los astronautas a los rayos cósmicos al reducir el tiempo de tránsito fuera de la magnetosfera de la Tierra . [22]
En este diseño, una lente y/o un espejo parabólico enfoca la luz láser en un pequeño orificio en un espejo que conduce a un tubo que es altamente reflectante en su interior y completamente abierto en el otro extremo. [ cita requerida ] Un láser de matriz en fase se envía desde la Tierra a la nave espacial, donde la luz láser se enfoca en el tubo hacia un disco de espejo móvil que espera y que será la masa de reacción. El pulso de luz láser queda atrapado en el tubo, rebota de un lado a otro y acelera el disco de espejo a una velocidad muy alta. Los espejos se mueven a su posición dentro del tubo desde cargadores en el costado de la nave después de que el pulso láser se haya apagado. Son posibles aceleraciones de millones de g para estos pequeños espejos altamente reflectantes, y las velocidades en distancias cortas pueden alcanzar decenas de kilómetros por segundo, lo que permite impulsos específicos de miles. [ cita requerida ] Por ejemplo, si un disco de espejo se acelera durante 10 m a 2 millones de g, alcanzará una velocidad de 20 km/s en la salida, esto es más de cuatro veces mayor que la velocidad de escape de un motor de cohete de hidrógeno/oxígeno, que es de alrededor de 4,5 km/s. Una comparación de impulsos específicos entre los motores de hidrógeno/oxígeno del transbordador espacial, que tiene un impulso específico de 453, y el ejemplo citado anteriormente produce un impulso específico de 2034 para el cohete de espejo, lo que es una mejora significativa. [ cita requerida ] Un control inteligente de los discos también permitiría períodos de aceleración mucho más largos y, por lo tanto, velocidades de salida más altas. Jordin Kare calculó que estos discos de espejo podrían empujarse teóricamente a alrededor de 32 millones de g, pero estarían en el límite de la resistencia de cualquier material y sujetos a una falla total. [23] El diseño de propulsión se puede utilizar en naves espaciales que salgan directamente de la órbita de la Tierra o que se acerquen a la Tierra como en una órbita elíptica de retorno.
La propulsión láser ablativa (ALP) es una forma de propulsión impulsada por haz en la que se utiliza un láser pulsado externo para quemar una columna de plasma de un propulsor de metal sólido , produciendo así empuje . [24] El impulso específico medido de pequeñas configuraciones de ALP es muy alto, alrededor de 5000 s (49 kN·s/kg), y a diferencia de las naves ligeras desarrolladas por Leik Myrabo que utilizan aire como propulsor, la ALP se puede utilizar en el espacio.
El material se elimina directamente de una superficie sólida o líquida a altas velocidades mediante ablación láser con un láser pulsado. Dependiendo del flujo láser y la duración del pulso, el material puede simplemente calentarse y evaporarse, o convertirse en plasma . La propulsión ablativa funcionará en aire o vacío. Son posibles valores de impulso específicos de 200 segundos a varios miles de segundos eligiendo las características del propulsor y del pulso láser. Las variaciones de la propulsión ablativa incluyen la propulsión de doble pulso en la que un pulso láser ablaciona el material y un segundo pulso láser calienta aún más el gas ablacionado, la micropropulsión láser en la que un pequeño láser a bordo de una nave espacial ablaciona cantidades muy pequeñas de propulsor para el control de actitud o maniobra, y la eliminación de desechos espaciales , en la que el láser ablaciona material de partículas de desechos en la órbita baja de la Tierra , cambiando sus órbitas y haciendo que vuelvan a entrar.
El Centro de Investigación de Propulsión Huntsville de la Universidad de Alabama ha investigado la ALP. [25] [26]
Un pulso de alta energía enfocado en un gas o en una superficie sólida rodeada de gas produce la descomposición del gas (generalmente aire). Esto provoca una onda de choque en expansión que absorbe la energía del láser en el frente de choque (una onda de detonación sostenida de láser u onda LSD); la expansión del plasma caliente detrás del frente de choque durante y después del pulso transmite impulso a la nave. [27] [28] La propulsión de plasma pulsado que utiliza aire como fluido de trabajo es la forma más simple de propulsión láser que respira aire. [29] [30] El Lightcraft que batió récords , desarrollado por Leik Myrabo de RPI ( Instituto Politécnico Rensselaer ) y Frank Mead, funciona según este principio. [31] [32] [33]
El profesor Hideyuki Horisawa está investigando otro concepto de propulsión de plasma pulsado. [34]
Un haz láser continuo enfocado en una corriente de gas que fluye crea un plasma sostenido por láser estable que calienta el gas; luego, el gas caliente se expande a través de una boquilla convencional para producir empuje. Debido a que el plasma no toca las paredes del motor, son posibles temperaturas de gas muy altas, como en la propulsión térmica nuclear con núcleo de gas . Sin embargo, para lograr un impulso específico alto , el propulsor debe tener un peso molecular bajo; generalmente se asume que el hidrógeno es para uso real, en impulsos específicos de alrededor de 1000 segundos. La propulsión de plasma de CW tiene la desventaja de que el haz láser debe enfocarse con precisión en la cámara de absorción, ya sea a través de una ventana o utilizando una boquilla de forma especial. Los experimentos de propulsores de plasma de CW se realizaron en los años 1970 y 1980, principalmente por el Dr. Dennis Keefer de UTSI y el Prof. Herman Krier de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign .
Esta propuesta requeriría dos naves espaciales: una que se desplaza y otra en órbita terrestre para impulsar a la primera. La segunda nave espacial dispararía miles de perdigones de metal a la primera. Dispararía un láser a la primera nave espacial o alinearía un láser desde la Tierra hacia la primera nave espacial. El láser eliminaría parte del material de cada perdigón, impulsándolos a altas velocidades (>120 km/s) para proporcionar empuje a la nave espacial. Este método podría permitir que una nave espacial alcance los planetas exteriores en menos de un año, 100 UA del Sol en 3 años y la lente gravitacional solar en 15 años. También sería capaz de propulsar naves espaciales más pesadas que otros conceptos de propulsión (~1 tonelada de masa). [35] [36]
Una clase general de técnicas de propulsión en las que la potencia del rayo láser se convierte en electricidad, que luego alimenta algún tipo de propulsor de propulsión eléctrico .
Un pequeño cuadricóptero ha volado durante 12 horas y 26 minutos cargado con un láser de 2,25 kW (alimentado a menos de la mitad de su corriente de funcionamiento normal), utilizando paneles fotovoltaicos de 170 vatios como receptor de energía, [37] y se ha demostrado que un láser carga las baterías de un vehículo aéreo no tripulado en vuelo durante 48 horas. [38]
En el caso de las naves espaciales, la propulsión eléctrica por láser se considera un competidor de la propulsión eléctrica solar o nuclear para la propulsión de bajo empuje en el espacio. Sin embargo, Leik Myrabo ha propuesto una propulsión eléctrica por láser de alto empuje, utilizando magnetohidrodinámica para convertir la energía del láser en electricidad y acelerar eléctricamente el aire alrededor de un vehículo para obtener empuje.
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )