La propulsión por haz , también conocida como propulsión de energía dirigida, es un tipo de propulsión de aeronaves o naves espaciales que utiliza energía emitida a la nave espacial desde una planta de energía remota para proporcionar energía. El haz suele ser un rayo de microondas o láser , y puede ser pulsado o continuo. Un haz continuo se presta a cohetes térmicos , propulsores fotónicos y velas ligeras . Por el contrario, un haz pulsado se presta a propulsores ablativos y motores de detonación de pulsos . [1]
La regla general que se suele citar es que se necesita un megavatio de potencia transmitido a un vehículo por cada kg de carga útil mientras se lo acelera para permitirle alcanzar la órbita terrestre baja . [2]
Además del lanzamiento a la 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 proporcionar impulso al cohete. El impulso es el producto de la masa por la velocidad, por lo que los cohetes generalmente intentan poner tanta velocidad como sea posible en su masa de trabajo , minimizando así la masa de trabajo necesaria. Para acelerar la masa de trabajo, se requiere energía . En un cohete convencional, el combustible se combina químicamente para proporcionar la energía, y los productos de combustible resultantes, las cenizas o los gases de escape, se utilizan como masa de trabajo.
No hay ninguna razón en particular por la que se deba utilizar el mismo combustible para generar energía y cantidad de movimiento. En el motor a reacción , por ejemplo, el combustible se utiliza únicamente para producir energía y el aire proporciona la masa de trabajo que utiliza el avión a reacción. En los motores a reacción modernos, la cantidad de aire propulsado es mucho más significativa que la cantidad utilizada para generar energía. Sin embargo, esta no es una solución para los cohetes, ya que ascienden rápidamente a altitudes en las que el aire es demasiado enrarecido para ser útil como fuente de masa de trabajo.
Los cohetes pueden transportar su masa de trabajo y utilizar otras fuentes de energía. El problema es encontrar una fuente de energía con una relación potencia-peso que compita con los combustibles químicos. Los reactores nucleares pequeños pueden competir en este aspecto, y en la década de 1960 se realizó un trabajo considerable sobre propulsión térmica nuclear , pero las preocupaciones ambientales y el aumento de los costos llevaron al final de la mayoría de estos programas.
Se pueden lograr mejoras adicionales eliminando la energía creada por la nave espacial. Si el reactor nuclear se deja en tierra y su energía se transmite a la nave espacial, también se elimina su peso. La cuestión es entonces hacer llegar la energía a la nave espacial. Esta es la idea detrás de la energía transmitida.
Con la propulsión por haz, se puede dejar la fuente de energía estacionaria en el suelo y calentar directamente (o a través de un intercambiador de calor ) el propulsor en la nave espacial con un máser o un rayo láser desde una instalación fija. Esto permite que la nave espacial deje 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 haz no tienen un límite teórico particular (aunque, en la práctica, existen límites de temperatura). [ cita requerida ]
En la propulsión térmica por microondas, se utiliza un haz de microondas externo para calentar un intercambiador de calor refractario a >1500 K, calentando un propulsor como hidrógeno, metano o amoníaco. Esto mejora el impulso específico del sistema de propulsión y la relación empuje/peso en relación con la propulsión convencional de cohetes. 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 variante, desarrollada por los hermanos James Benford y Gregory Benford , consiste en utilizar la desorción térmica del propulsor atrapado en el material de una enorme vela de microondas . Esto produce una aceleración muy alta en comparación con las velas impulsadas únicamente por microondas.
Algunos de los mecanismos de propulsión propuestos para naves espaciales utilizan propulsión eléctrica , en la que la energía eléctrica es utilizada por un motor de cohete propulsado eléctricamente, como un propulsor iónico o un motor de propulsión de plasma . Por lo general, estos esquemas suponen paneles solares o un reactor a bordo. Sin embargo, ambas fuentes de energía son pesadas.
La propulsión por haz en forma de láser puede enviar energía a un panel fotovoltaico para la propulsión eléctrica por láser. En este sistema, si una alta intensidad incide sobre el panel solar, es necesario un diseño cuidadoso de los paneles para evitar una caída en la eficiencia de conversión debido a los efectos del calentamiento. John Brophy ha analizado la transmisión de energía láser a un panel fotovoltaico que alimenta un sistema de propulsión eléctrica de alta eficiencia como un 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 rectena para la propulsión eléctrica por microondas . La potencia de transmisión por microondas se ha demostrado en la práctica varias veces (por ejemplo, en Goldstone, California, en 1974). Las rectenas son potencialmente ligeras y pueden manejar alta potencia con alta eficiencia de conversión. Sin embargo, las rectenas deben ser enormes para que se pueda capturar una cantidad significativa de energía.
Una viga también podría proporcionar impulso "empujando" directamente la vela.
Un ejemplo es el uso de 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 el físico Robert L. Forward lo analizó en detalle y lo desarrolló en 1989 [6] como un método de viaje interestelar que evitaría proporciones 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 empujar una vela con un haz de microondas. [12] Esto tiene la ventaja de que la vela no necesita ser una superficie continua. Forward denominó su propuesta de vela ultraligera " Starwisp ". Un análisis posterior de Landis [13] sugirió que el concepto de Starwisp propuesto inicialmente por Forward no funcionaría, pero podrían implementarse variaciones de la propuesta.
El haz debe tener un diámetro grande para que solo una pequeña porción del haz no toque la vela debido a la difracción , y la antena láser o de microondas debe tener una buena estabilidad de apuntamiento para que la nave pueda inclinar sus velas lo suficientemente rápido para seguir el centro del haz. 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 luego a una misión de regreso. El láser o el transmisor de microondas probablemente sería un gran conjunto en fase de pequeños dispositivos que obtienen su energía directamente de la radiación solar. El tamaño del conjunto elimina la necesidad de una lente o un espejo.
Otro concepto de impulso por haz sería utilizar una vela magnética o 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 de luz aceleradas por láser transferiría el momento a un vehículo de vela magnética. [16]
Otro concepto de proyectiles impulsados por haz utiliza perdigones o proyectiles de materia ordinaria. Una corriente de perdigones proveniente de un impulsor de masa estacionario es "reflejada" por la nave espacial, cf. impulsor de masa . [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 energía láser o máser para proporcionar energía para producir empuje.
El láser brilla sobre un reflector parabólico en la parte inferior del vehículo, concentrando la luz para producir una región de temperatura extremadamente alta. El aire en esta región se calienta y se expande violentamente, produciendo empuje con cada pulso de luz láser. Una nave ligera debe proporcionar este gas desde tanques a bordo o un sólido ablativo en el espacio. Al dejar la fuente de energía del vehículo en el suelo y usar la atmósfera ambiental como masa de reacción durante gran parte de su ascenso, una nave ligera podría entregar un porcentaje sustancial de su masa de lanzamiento a la órbita. También podría ser potencialmente muy barata de fabricar.
Temprano en la mañana del 2 de octubre de 2000 en la Instalación 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 los EE. UU. y Leik Myrabo estableció un nuevo récord mundial de altitud de 233 pies (71 m) para su cohete de 4,8 pulgadas (12,2 cm) de diámetro y 1,8 onzas (51 g), propulsado por láser en un vuelo que duró 12,7 segundos. [18] Aunque gran parte del vuelo de las 8:35 am se pasó flotando a más de 230 pies, el Lightcraft obtuvo un récord mundial por el vuelo libre propulsado por láser más largo de la historia y el mayor "tiempo en el aire" (es decir, de lanzamiento a aterrizaje/recuperación) desde 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 hasta la órbita baja terrestre utilizando un láser terrestre de un megavatio construido a medida. Un sistema de este tipo utilizaría tan solo unos 20 dólares de electricidad, lo que haría que los costes de lanzamiento por kilogramo fueran mucho menores que los costes de lanzamiento actuales (que se miden en miles de dólares). [ cita requerida ]
El diseño de la " nave de luz " de Myrabo es una nave reflectante con forma de embudo que canaliza el calor del láser hacia el centro, utilizando una superficie parabólica reflectante, lo que hace que el láser haga explotar 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 empuje.
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 difunto Jordin Kare propuso un concepto más simple y de más corto plazo con 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 son ahora 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 DARPA/NASA Millimeter-wave Thermal Launch System (MTLS) [27] dio 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, que posteriormente se integró 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 de destino 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 de haz no se pudieron resolver antes de que se agotara la financiación en marzo de 2014.
La motivación para desarrollar sistemas de propulsión con propulsión por haz proviene de las ventajas económicas obtenidas debido a un mejor rendimiento de la propulsión. En el caso de los vehículos de lanzamiento con propulsión por haz, un mejor rendimiento de la propulsión permite una combinación de 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 con propulsión por haz:
"La propulsión láser es una idea que puede producir una revolución en la tecnología espacial. En teoría, una única 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% del peso de despegue del vehículo. Es mucho más económica en el uso de masa y energía que la propulsión química, y es mucho más flexible a la hora de poner vehículos idénticos en distintas órbitas".
Esta promesa fue cuantificada en un estudio de Lockheed de 1978 [29] realizado para la NASA:
"Los resultados del estudio mostraron que, con tecnología avanzada, un sistema de cohetes 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, 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 de los directores de haz como un posible impedimento para los sistemas de lanzamiento alimentados por haz. Un análisis de costo-beneficio reciente [30] estima que los cohetes térmicos de microondas (o láser) serían económicos una vez que el costo de los directores de haz caiga por debajo de los 20 $/vatio. El costo actual de los láseres adecuados es <100 $/vatio y el costo de las fuentes de microondas adecuadas es <5 $/vatio. La producción en masa ha reducido el costo de producción de los magnetrones de hornos de microondas a <0,01 $/vatio y algunos láseres médicos a <10 $/vatio, aunque estos se consideran inadecuados para directores de haz.
En 1964, William C. Brown presentó un helicóptero en miniatura equipado con una combinación de antena y dispositivo rectificador llamado rectenna . La rectenna convertía la energía de las microondas en electricidad, lo que permitía al helicóptero volar. [31]
En 2002, un grupo japonés propulsó un pequeño 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 alimentada con paneles solares iluminados por un láser. [32] Es posible que dicha propulsión impulsada por rayos pueda ser útil para aeronaves o globos no tripulados de gran altitud y larga duración, tal vez diseñados para servir, como lo hacen los satélites hoy, como relés 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 impulsada por rayos, que se utiliza en objetos que no están diseñados para ser propulsados por ella, por ejemplo, pequeños trozos de chatarra que se desprenden de los satélites. La técnica funciona porque la potencia del láser destruye un lado del objeto, lo que da un impulso que cambia la excentricidad de la órbita del objeto. La órbita entonces intersectaría la atmósfera y se quemaría.
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