La propulsión láser es una forma de propulsión impulsada por haz en la que la fuente de energía es un sistema láser remoto (generalmente terrestre) y está separado de la masa de reacción. Esta forma de propulsión difiere de un cohete químico convencional donde tanto la energía como la masa de reacción provienen de los propulsores sólidos o líquidos que se llevan a bordo del vehículo.
Los conceptos básicos que subyacen a 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 activados por láser fueron desarrollados en la década de 1970 por Arthur Kantrowitz y Wolfgang Moekel, [1] con una variante que utiliza la ablación por láser de la que fue pionero Leik Myrabo. [2] En 1988 se publicó una exposición de las ideas de Kantrowitz sobre propulsión láser. [3]
Los sistemas de propulsión láser pueden transferir impulso a una nave espacial de dos formas diferentes. La primera forma 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. Así, el primero utiliza el láser tanto para energía como para masa de reacción, mientras que el segundo utiliza el láser para energía, pero lleva masa de reacción. Por tanto, el segundo está fundamentalmente limitado en las velocidades finales de la nave espacial por la ecuación del cohete .
Una vela de luz impulsada por láser es una vela delgada y reflectante similar a una vela solar , en la que la vela es empujada por un láser, en lugar de por el sol. La ventaja de la propulsión de vela ligera es que el vehículo no lleva ni la fuente de energía ni la masa de reacción para la propulsión y, por tanto, se evitan las limitaciones de la ecuación del cohete Tsiolkovsky para alcanzar altas velocidades. El uso de una vela de luz impulsada por láser fue propuesto inicialmente por Marx en 1966, [4] como un método de viaje interestelar que evitaría relaciones de masa extremadamente altas al no transportar combustible, y analizado en detalle por el físico Robert L. Forward en 1989. [ 5] Landis , [6] [7] Mallove y Matloff, [8] Andrews [9] y otros realizaron un análisis más detallado del concepto .
Se requiere un haz de gran diámetro para que sólo una pequeña parte no alcance la vela debido a la difracción , y la nave espacial debe tener fuertes capacidades de estabilidad de apuntamiento para que pueda 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 misiones interestelares , y cuando se pasa de misiones de sobrevuelo a misiones de aterrizaje en un solo sentido y luego a misiones de regreso .
Alternativamente, el láser puede consistir en un gran conjunto en fases de pequeños dispositivos que reciben su energía directamente de la radiación solar.
La vela impulsada por láser se propone como método para impulsar una pequeña sonda interestelar en el proyecto Breakthrough Starshot .
Otro método para mover una nave espacial mucho más grande a altas velocidades es utilizar un sistema láser para impulsar una corriente de velas mucho más pequeñas. Cada mini vela alternativa es ralentizada por un láser del sistema local para que colisionen a velocidades ionizantes. Las colisiones ionizantes podrían luego usarse para interactuar con un poderoso campo magnético en la nave espacial para proporcionar una fuerza que la impulse y mueva.
Una extensión de la idea es utilizar materiales nucleares en las mini velas. Estos materiales sufrirían fisión o fusión, aumentando considerablemente la magnitud de la fuerza impartida. Sin embargo, este enfoque requeriría velocidades de colisión mucho más altas en comparación con implementaciones no nucleares.
Metzgar y Landis propusieron una variante de la vela impulsada por láser, en la que los fotones reflejados por la vela se reutilizan reflejándolos hacia la vela mediante un espejo estacionario; una "vela basada en láser de rebote múltiple". [10] Esto amplifica la fuerza producida al reciclar los fotones, lo que da como resultado una fuerza considerablemente mayor producida con la misma potencia del láser. También hay una configuración de vela fotónica de rebote múltiple que utiliza una lente Fresnel grande alrededor de un sistema de generación de láser. En esta configuración, el láser ilumina una vela de sonda acelerándola hacia afuera, que luego se refleja a través de la lente de Fresnel para ser reflejada en una sonda reflectora más grande y masiva que va en la otra dirección. La luz láser se refleja hacia adelante y hacia atrás 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. Se puede hacer una cavidad óptica con dos espejos de alta reflectancia, formando una cavidad de resonancia óptica de Fabry-Pérot en la que cualquier pequeño movimiento de los espejos destruiría la condición de resonancia y el empuje fotónico nulo. Este tipo de cavidades ópticas se utilizan para la detección de ondas gravitacionales como en LIGO , por su extrema sensibilidad al movimiento del espejo. Bae propuso originalmente [11] utilizar el reciclaje de fotones para su uso en un vuelo de formación de satélites con precisión nanométrica por este motivo. Bae, sin embargo, descubrió [12] que en una cavidad óptica activa formada por dos espejos de alta reflectancia y un medio de ganancia láser entre ellos, similar a la típica cavidad láser, el reciclaje de fotones se vuelve menos sensible al movimiento de los espejos. Bae nombró al propulsor láser basándose en el reciclaje de fotones en una cavidad óptica activa Propulsor láser fotónico (PLT). [13] En 2015, su equipo demostró el número de reciclaje de fotones de 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, [14] se propulsó con PLT un Cubesat (de 0,75 kg de peso). [15]
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 rayo láser externo. [16] [17] 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 termonuclear y termosolar . El uso de un intercambiador de calor plano y grande permite que el rayo 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 con láseres CW y pulsados, y de tener una eficiencia cercana al 100%. El propulsor HX está limitado por el material del intercambiador de calor y por las pérdidas radiativas a temperaturas de gas relativamente bajas, normalmente entre 1000 y 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 suficiente impulso específico de hasta 600 a 800 segundos, lo suficientemente alto 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; [18] Kevin L. Parkin en Caltech desarrolló de forma independiente un concepto similar de propulsión térmica por microondas en 2001.
El Prof. John Sinko y el Dr. Clifford Schlecht propusieron una variación de este concepto como un concepto de seguridad redundante para activos en órbita. [19] Los paquetes de propulsores cerrados están adheridos al exterior de un traje espacial, y los canales de escape van desde cada paquete hasta el lado más alejado del astronauta o herramienta. Un rayo láser desde una estación espacial o un transbordador vaporiza el propulsor dentro de las mochilas. El escape se dirige detrás del astronauta o la herramienta, empujando el 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 utilizar un sistema de propulsión térmica láser para enviar una nave espacial a Marte en 45 días . [20] Una de las principales ventajas de utilizar el sistema de propulsión térmica 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 . [21]
En este diseño, una lente y/o un espejo parabólico enfocan la luz láser en un pequeño orificio en un espejo que conduce a un tubo que es altamente reflectante por dentro y completamente abierto en el otro extremo. [ cita necesaria ] Un láser de matriz en fase es pulsado desde la Tierra en la nave espacial donde la luz láser se enfoca en el tubo hacia un disco de espejo móvil en espera que será la masa de reacción. El pulso de luz láser queda atrapado en el tubo, rebotando hacia adelante y hacia atrás y acelerando el disco del espejo a una velocidad muy alta. Los espejos se colocan en su posición dentro del tubo desde cargadores situados en el lateral de la nave después de que se haya apagado el pulso láser. Para estos pequeños espejos altamente reflectantes son posibles aceleraciones de millones de g , y velocidades en distancias cortas pueden alcanzar decenas de kilómetros por segundo, lo que permite impulsos específicos de miles. [ cita necesaria ] Por ejemplo, si un disco de espejo se acelera más de 10 ma 2 millones de g, alcanzará una velocidad de 20 km / s en la salida, esto es cuatro veces mayor que la velocidad de escape de un motor de cohete de hidrógeno/oxígeno. que es 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, arroja un impulso específico de 2034 para el cohete espejo, lo cual es una mejora significativa. [ cita necesaria ] 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, en teoría, estos discos espejados podrían alcanzar un peso de unos 32 millones de gramos, pero estarían en el límite de la resistencia de cualquier material y estarían sujetos a un fallo total. [22] El diseño de propulsión se puede utilizar en naves espaciales que salen directamente de la órbita de la Tierra o que se acercan a la Tierra como en una órbita elíptica de retorno.
La propulsión láser ablativa (ALP) es una forma de propulsión impulsada por un haz en el que se utiliza un láser pulsado externo para quemar una columna de plasma de un propulsor de metal sólido , produciendo así empuje . [23] El impulso específico medido de pequeñas configuraciones de ALP es muy alto, alrededor de 5000 s (49 kN·s/kg), y a diferencia de la nave ligera desarrollada por Leik Myrabo que utiliza aire como propulsor, ALP se puede utilizar en el espacio.
El material se elimina directamente de una superficie sólida o líquida a altas velocidades mediante ablación láser mediante un láser pulsado. Dependiendo del flujo del láser y la duración del pulso, el material puede simplemente calentarse y evaporarse o convertirse en plasma . La propulsión ablativa funcionará en el aire o en el vacío. Es posible obtener valores de impulso específicos desde 200 segundos hasta varios miles de segundos eligiendo las características del propulsor y del impulso láser. Las variaciones de la propulsión ablativa incluyen la propulsión de doble pulso en la que un pulso láser elimina el material y un segundo pulso láser calienta aún más el gas eliminado, la micropropulsión láser en la que un pequeño láser a bordo de una nave espacial elimina cantidades muy pequeñas de propulsor para el control de actitud o las maniobras, y la eliminación de desechos espaciales , en la que el láser elimina el material de las partículas de desechos en la órbita terrestre baja , cambiando sus órbitas y provocando que vuelvan a entrar.
El Centro de Investigación de Propulsión Huntsville de la Universidad de Alabama ha investigado ALP. [24] [25]
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 por láser u onda de LSD); La expansión del plasma caliente detrás del frente de choque durante y después del pulso transmite impulso a la nave. La propulsión por plasma pulsado que utiliza aire como fluido de trabajo es la forma más simple de propulsión láser por respiración de aire. La nave ligera que bate récords , desarrollada por Leik Myrabo del RPI ( Instituto Politécnico Rensselaer ) y Frank Mead, funciona según este principio.
El profesor Hideyuki Horisawa está investigando otro concepto de propulsión de plasma pulsado. [26]
Un rayo 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 elevado , el propulsor debe tener un peso molecular bajo; Por lo general, se supone que el hidrógeno se utiliza en impulsos específicos de alrededor de 1.000 segundos. La propulsión por plasma CW tiene la desventaja de que el rayo láser debe enfocarse con precisión en la cámara de absorción, ya sea a través de una ventana o mediante una boquilla de forma especial. En las décadas de 1970 y 1980 se realizaron experimentos con propulsores de plasma CW, 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 viaje y otra en órbita terrestre para impulsar a la primera. La segunda nave espacial dispararía miles de perdigones metálicos 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 bolita, impulsándolas a altas velocidades (>120 km/s) para proporcionar empuje a la nave espacial. Este método podría permitir que una nave espacial llegue a los planetas exteriores en menos de un año, a 100 UA del Sol en 3 años y a 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). [27] [28]
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 eléctrica .
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 operativa normal), utilizando conjuntos fotovoltaicos de 170 vatios como receptor de energía, [29] y se ha demostrado que un láser Cargar las baterías de un vehículo aéreo no tripulado en vuelo durante 48 horas. [30]
Para las naves espaciales, la propulsión eléctrica 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 la propulsión eléctrica láser de alto empuje, utilizando magnetohidrodinámica para convertir la energía láser en electricidad y acelerar eléctricamente el aire alrededor de un vehículo para generar empuje.
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