Un impulsor de masas o catapulta electromagnética es un método propuesto de lanzamiento espacial sin cohetes que utilizaría un motor lineal para acelerar y catapultar cargas útiles a altas velocidades. Los impulsores de masa existentes y previstos utilizan bobinas de alambre energizados por electricidad para fabricar electroimanes , aunque también se ha propuesto un impulsor de masa giratorio. [1] El disparo secuencial de una fila de electroimanes acelera la carga útil a lo largo de un camino. Después de abandonar el camino, la carga útil continúa moviéndose debido al impulso .
Aunque cualquier dispositivo utilizado para propulsar una carga balística es técnicamente un impulsor de masas, en este contexto un impulsor de masas es esencialmente un cañón helicoidal que acelera magnéticamente un paquete que consta de un soporte magnetizable que contiene una carga útil. Una vez que se ha acelerado la carga útil, los dos se separan y el soporte se desacelera y se recicla para otra carga útil.
Los impulsores de masa se pueden utilizar para propulsar naves espaciales de tres maneras diferentes: se podría utilizar un impulsor de masa grande, basado en tierra, para lanzar naves espaciales lejos de la Tierra, la Luna u otro cuerpo. Un pequeño impulsor de masas podría estar a bordo de una nave espacial, lanzando trozos de material al espacio para impulsarse. Otra variación tendría una instalación masiva en una luna o un asteroide que enviaría proyectiles para ayudar a una nave distante.
Los controladores de masas miniaturizados también se pueden utilizar como armas de manera similar a las armas de fuego clásicas o los cañones que utilizan combustión química. También son posibles híbridos entre cañones de bobina y cañones de riel , como cañones de riel helicoidales . [2]
Los impulsores de masas no necesitan contacto físico entre las partes móviles porque guían sus proyectiles mediante levitación magnética dinámica, lo que permite una reutilización extrema en el caso de conmutación de energía de estado sólido y una vida funcional de, teóricamente, hasta millones de lanzamientos. Si bien los costos marginales tienden a ser bajos, los costos iniciales de desarrollo y construcción dependen en gran medida del desempeño, especialmente de la masa, aceleración y velocidad previstas de los proyectiles. Por ejemplo, mientras Gerard O'Neill construyó su primer propulsor de masas en 1976-1977 con un presupuesto de 2000 dólares, un modelo de prueba corto que disparaba un proyectil a 40 m/s y 33 g , [3] su siguiente modelo tenía un orden de- una aceleración de magnitud mayor [4] después de un aumento comparable en la financiación y, unos años más tarde, investigadores de la Universidad de Texas estimaron que un impulsor masivo que disparara un proyectil de 10 kilogramos a 6000 m/s costaría 47 millones de dólares. [5] [ necesita cotización para verificar ] [6] [ verificación fallida ]
Para una determinada cantidad de energía involucrada, los objetos más pesados van proporcionalmente más lento. Los objetos ligeros [ se necesita aclaración ] pueden proyectarse a 20 km/s o más. Los límites son generalmente el gasto del almacenamiento de energía que pueda descargarse lo suficientemente rápido y el costo de la conmutación de energía, que puede realizarse mediante semiconductores o interruptores de fase gaseosa (que a menudo todavía tienen un nicho en aplicaciones extremas de energía de pulso). [7] [8] [9] Sin embargo, la energía se puede almacenar de forma inductiva en bobinas superconductoras. Un conductor de masa de 1 km de longitud hecho de bobinas superconductoras puede acelerar un vehículo de 20 kg a 10,5 km/s con una eficiencia de conversión del 80% y una aceleración media de 5.600 g. [10]
Los motores de masas terrestres para impulsar vehículos a la órbita, como el concepto StarTram , requerirían una inversión de capital considerable. [11] La gravedad relativamente fuerte de la Tierra y su atmósfera relativamente espesa dificultan la implementación de una solución práctica. Además, la mayoría, si no todos, los sitios de lanzamiento posibles impulsarían las naves espaciales a través de rutas aéreas muy transitadas. Debido a las enormes turbulencias que provocarían tales lanzamientos, se necesitarían importantes medidas de control del tráfico aéreo para garantizar la seguridad de otras aeronaves que operan en la zona.
Con la proliferación de cohetes reutilizables para lanzar desde la Tierra (especialmente las primeras etapas), cualquier potencial que alguna vez haya existido para obtener alguna ventaja económica en el uso de impulsores de masa como alternativa a los cohetes químicos para lanzar desde la Tierra se está volviendo cada vez más dudoso. Por estas razones, muchas propuestas incluyen la instalación de impulsores de masa en la Luna , donde la menor gravedad y la falta de atmósfera reducen en gran medida la velocidad requerida para alcanzar la órbita lunar; Además, es mucho menos probable que los lanzamientos lunares desde una posición fija generen problemas con respecto a cuestiones como el control del tráfico.
Los diseños más serios de impulsores de masa utilizan bobinas superconductoras para lograr una eficiencia energética razonable (a menudo del 50% al 90+%, según el diseño). [12] El equipo puede incluir un cubo superconductor o una bobina de aluminio como carga útil. Las bobinas de un controlador de masas pueden inducir corrientes parásitas en la bobina de aluminio de una carga útil y luego actuar sobre el campo magnético resultante . Hay dos secciones de un conductor de masas. La parte de aceleración máxima espacia las bobinas a distancias constantes y sincroniza las corrientes de las bobinas con el cubo. En este tramo, la aceleración aumenta a medida que aumenta la velocidad, hasta el máximo que puede soportar el cucharón. Después de eso, comienza la región de aceleración constante. Esta región espacia las bobinas a distancias crecientes para dar una cantidad fija de aumento de velocidad por unidad de tiempo.
Basándose en este modo, una propuesta importante para el uso de impulsores de masa implicó el transporte de material de la superficie lunar a hábitats espaciales para su procesamiento utilizando energía solar . [13] El Instituto de Estudios Espaciales demostró que esta aplicación era razonablemente práctica.
En algunos diseños, la carga útil se mantendría en un cubo y luego se liberaría, de modo que el cubo pueda desacelerarse y reutilizarse. Un cubo desechable, por el contrario, permitiría acelerar a lo largo de toda la pista. Alternativamente, si se construyera una pista a lo largo de toda la circunferencia de la Luna (o cualquier otro cuerpo celeste sin una atmósfera significativa), entonces la aceleración de un cubo reutilizable no estaría limitada por la longitud de la pista; sin embargo, dicho sistema tendría que ser diseñado para soportar fuerzas centrífugas sustanciales si estuviera destinado a acelerar pasajeros y/o carga a velocidades muy altas.
A diferencia de los conceptos de armas espaciales químicas de carga exclusiva , un propulsor de masa podría tener cualquier longitud, ser asequible y con una aceleración relativamente suave en todo momento, opcionalmente incluso lo suficientemente largo como para alcanzar la velocidad objetivo sin fuerzas g excesivas para los pasajeros. Se puede construir como una pista de lanzamiento muy larga y principalmente alineada horizontalmente para el lanzamiento espacial, apuntando hacia arriba en el extremo, en parte por la curvatura de la pista hacia arriba y en parte por la curvatura de la Tierra en la otra dirección.
Las elevaciones naturales, como las montañas, pueden facilitar la construcción de la parte distante orientada hacia arriba. Cuanto más arriba termine la pista, menos resistencia de la atmósfera encontrará el objeto lanzado. [14]
Los 40 megajulios por kilogramo o menos de energía cinética de los proyectiles lanzados a una velocidad de hasta 9000 m/s (si se incluye el extra por pérdidas de arrastre) hacia la órbita terrestre baja son unos pocos kilovatios-hora por kilogramo si las eficiencias son relativamente altas, lo que en consecuencia ha sido Se supone que el costo de energía eléctrica es inferior a 1 dólar por kilogramo enviado a LEO , aunque los costos totales serían mucho mayores que los de la electricidad sola. [11] Al estar ubicado principalmente ligeramente por encima, sobre o debajo del suelo, un impulsor de masa puede ser más fácil de mantener en comparación con muchas otras estructuras de lanzamiento espacial que no son cohetes . Ya sea bajo tierra o no, debe alojarse en una tubería bombeada al vacío para evitar el arrastre de aire interno , como por ejemplo con un obturador mecánico que se mantiene cerrado la mayor parte del tiempo pero se usa una ventana de plasma durante los momentos de disparo para evitar pérdidas. de vacío. [15]
Un impulsor de masas en la Tierra normalmente sería un sistema de compromiso. Un controlador de masa aceleraría una carga útil hasta una velocidad alta que no sería suficiente para la órbita. Luego liberaría la carga útil, que completaría el lanzamiento con cohetes. Esto reduciría drásticamente la cantidad de velocidad que deben proporcionar los cohetes para alcanzar la órbita. Mucho menos de una décima parte de la velocidad orbital de un pequeño propulsor de cohete es suficiente para elevar el perigeo si un diseño prioriza minimizarlo, pero las propuestas híbridas opcionalmente reducen los requisitos para el propio impulsor de masa al tener una mayor porción de delta-v mediante la quema de un cohete (o correa de intercambio de impulso orbital ). [11] En la Tierra, un diseño de impulsor de masas posiblemente podría utilizar componentes maglev bien probados .
Para lanzar un vehículo espacial con humanos a bordo, la pista de un conductor masivo necesitaría tener casi 1.000 kilómetros de largo si proporcionara casi toda la velocidad a la órbita terrestre baja , aunque una longitud menor podría proporcionar una asistencia de lanzamiento importante. La longitud requerida, si se acelera principalmente cerca de una fuerza g máxima constante aceptable para los pasajeros, es proporcional a la velocidad al cuadrado. [16] Por ejemplo, la mitad del objetivo de velocidad podría corresponder a un túnel que tendría que construirse un cuarto de su longitud, para la misma aceleración. [16] Para objetos rugosos, pueden ser suficientes aceleraciones mucho más altas, lo que permite una trayectoria mucho más corta, potencialmente circular o helicoidal (espiral). [17] Otro concepto implica un diseño de anillo grande mediante el cual un vehículo espacial rodearía el anillo numerosas veces, ganando velocidad gradualmente, antes de ser lanzado a un corredor de lanzamiento que conduce hacia el cielo.
Se han propuesto impulsores de masa para la eliminación de desechos nucleares en el espacio: un proyectil lanzado a una velocidad de escape muy superior a la de la Tierra escaparía del Sistema Solar, y se calcula que el paso atmosférico a esa velocidad podría sobrevivir a través de un proyectil alargado y un escudo térmico muy sustancial. [10] [18] [ se necesita verificación ]
Una nave espacial podría llevar un propulsor de masas como motor principal. Con una fuente adecuada de energía eléctrica (probablemente un reactor nuclear ), la nave espacial podría utilizar el impulsor de masa para acelerar trozos de materia de casi cualquier tipo, impulsándose en la dirección opuesta. En la escala más pequeña de masa de reacción, este tipo de impulso se denomina impulso iónico . [ cita necesaria ]
No se conoce ningún límite teórico absoluto para el tamaño, la aceleración o la energía inicial de los motores lineales. Sin embargo, se aplican limitaciones prácticas de ingeniería, como la relación potencia-masa, la disipación del calor residual y la ingesta de energía que se puede suministrar y gestionar. Lo mejor es que la velocidad de escape no sea ni demasiado baja ni demasiado alta. [19]
Existe una velocidad de escape óptima limitada que depende de la misión y un impulso específico para cualquier propulsor limitado por una cantidad limitada de potencia a bordo de la nave espacial. El empuje y el impulso del escape, por unidad de masa expulsada, aumentan linealmente con su velocidad ( impulso = mv), pero los requisitos de energía cinética y de entrada de energía aumentan más rápido con la velocidad al cuadrado ( energía cinética =+1 ⁄ 2 mv 2 ). Una velocidad de escape demasiado baja aumentaría excesivamente la masa del propulsor necesaria según la ecuación del cohete , con una fracción demasiado alta de energía destinada a acelerar el propulsor que aún no se ha utilizado. Una mayor velocidad de escape tiene beneficios y desventajas, ya que aumenta la eficiencia del uso del propulsor (más impulso por unidad de masa de propulsor expulsado) pero disminuye el empuje y la tasa actual de aceleración de la nave espacial si la potencia de entrada disponible es constante (menos impulso por unidad de energía dada al propulsor) . [19]
Los métodos de propulsión eléctrica, como los impulsores de masas, son sistemas en los que la energía no proviene del propio propulsor. (Esto contrasta con los cohetes químicos donde la eficiencia propulsora varía con la relación entre la velocidad de escape y la velocidad del vehículo en ese momento, pero un impulso específico cercano al máximo obtenible tiende a ser un objetivo de diseño cuando corresponde a la mayor energía liberada por los propulsores que reaccionan). Aunque el impulso específico de un propulsor eléctrico en sí podría opcionalmente llegar hasta donde los impulsores de masa se fusionan en aceleradores de partículas con una velocidad de escape fraccional de la velocidad de la luz para partículas diminutas, tratar de utilizar una velocidad de escape extrema para acelerar una nave espacial mucho más lenta podría representar un empuje subóptimamente bajo cuando el la energía disponible del reactor o fuente de energía de una nave espacial es limitada (un análogo menor de alimentar energía a bordo a una fila de focos, siendo los fotones un ejemplo de una relación momento-energía extremadamente baja). [19]
Por ejemplo, si la limitada potencia a bordo alimentada a su motor fuera la limitación dominante sobre la cantidad de carga útil que una nave espacial hipotética podría transportar (por ejemplo, si el costo económico intrínseco del propulsor fuera menor debido al uso de suelo o hielo extraterrestre), la velocidad de escape ideal sería más bien alrededor de 62,75% del delta v total de la misión si opera con un impulso específico constante, excepto que una mayor optimización podría provenir de la variación de la velocidad de escape durante el perfil de la misión (como es posible con algunos tipos de propulsores, incluidos los impulsores de masa y los cohetes de magnetoplasma de impulso específico variable ). [19]
Dado que un impulsor de masas podría utilizar cualquier tipo de masa de reacción para mover la nave espacial, un impulsor de masas o alguna variación parece ideal para los vehículos del espacio profundo que extraen masa de reacción de los recursos encontrados.
Un posible inconveniente del impulsor de masas es que tiene el potencial de enviar masas de reacción sólidas que viajan a velocidades relativas peligrosamente altas hacia órbitas y carriles de tráfico útiles. Para superar este problema, la mayoría de los sistemas planean arrojar polvo finamente dividido . Alternativamente, se podría utilizar oxígeno líquido como masa de reacción, que al liberarse se reduciría a su estado molecular. Impulsar la masa de reacción a la velocidad de escape solar es otra forma de garantizar que no siga siendo un peligro.
Se podría utilizar un controlador de masas en una nave espacial para "reflejar" masas de un controlador de masas estacionario. Cada desaceleración y aceleración de la masa contribuye al impulso de la nave espacial. La nave espacial, liviana y rápida, no necesita llevar masa de reacción y no necesita mucha electricidad más allá de la cantidad necesaria para reemplazar las pérdidas en la electrónica, mientras que la instalación de soporte inmóvil puede funcionar con plantas de energía que pueden ser mucho más grandes que la nave espacial si es necesario. Esto podría considerarse una forma de propulsión impulsada por haces (un análogo a escala macroscópica de una vela mágica propulsada por haces de partículas). Un sistema similar también podría entregar pastillas de combustible a una nave espacial para impulsar otro sistema de propulsión. [20] [21] [22] [23]
Otro uso teórico para este concepto de propulsión se puede encontrar en las fuentes espaciales , un sistema en el que un flujo continuo de perdigones en una pista circular sostiene una estructura alta.
Actualmente, la Marina de los EE. UU. está investigando activamente lanzadores de proyectiles electromagnéticos de alta aceleración y tamaño pequeño a moderado [24] para su uso como armas terrestres o navales (la mayoría de las veces, cañones de riel , pero en algunos casos, cañones de bobina ). En una escala mayor que las armas actualmente a punto de ser desplegadas, pero a veces sugeridas en proyecciones futuras de largo alcance, un motor lineal de velocidad suficientemente alta , un impulsor de masas, podría en teoría usarse como artillería intercontinental (o, si se construye en la Luna o en órbita, usarse). atacar un lugar en la superficie de la Tierra ). [25] [26] [27] Como el impulsor de masa estaría ubicado más arriba en el pozo de gravedad que los objetivos teóricos, disfrutaría de un desequilibrio energético significativo en términos de contraataque.
Una de las primeras descripciones de ingeniería de una "pistola eléctrica" aparece en el suplemento técnico de la novela de ciencia ficción de 1937 "Zero to Eighty" de "Akkad Pseudoman", [ 28] un seudónimo del físico y empresario eléctrico de Princeton Edwin Fitch Northrup. . El Dr. Northrup construyó prototipos de cañones de bobina alimentados por generadores eléctricos trifásicos de frecuencia kHz y el libro contiene fotografías de algunos de estos prototipos. El libro describe una circunnavegación ficticia de la luna realizada por un vehículo de dos personas lanzado por una pistola eléctrica Northrup.
Posteriormente se construyeron prototipos de controladores de masas desde 1976 ( Mass Driver 1 ), algunos de ellos construidos por el Instituto de Estudios Espaciales de Estados Unidos para demostrar sus propiedades y su practicidad. La I+D militar sobre cañones helicoidales está relacionada, al igual que los trenes maglev .
SpinLaunch , una empresa fundada en 2014, realizó la prueba inicial de su acelerador de prueba en octubre de 2021. [29]
Las estrellas de esta conferencia [...] fueron el profesor Henry Kolm del Instituto Tecnológico de Massachusetts y el grupo de estudiantes voluntarios que construyeron el primer controlador de masas [...] En su mejor prueba, el prototipo del controlador de masas produjo una aceleración de treinta -tres gravedades.
Esto es más de lo que el Dr. O'Neill [...] había considerado necesario para un controlador de masa en la superficie lunar.
[...] El controlador de masas se demostró varias veces durante los descansos entre las sesiones de la conferencia, cada vez con un aplauso para el equipo que lo construyó en menos de cuatro meses con un presupuesto de 2.000 dólares.
Mass Driver Two combina por primera vez todas las características esenciales de un Mass Driver operativo, con la excepción de la recirculación del cucharón y el manejo de la carga útil.
Su aceleración nominal de diseño es de 5000 m/s2, para una velocidad final de 112 m/s.
