Los motores estelares son una clase de megaestructuras hipotéticas que utilizan los recursos de una estrella para generar trabajo disponible (también llamado exergía ). Por ejemplo, pueden usar la energía de la estrella para producir trabajo mecánico, eléctrico o químico o pueden usar el impulso de la luz emitida por la estrella para producir empuje, capaz de controlar el movimiento de un sistema estelar. [1] El concepto fue introducido por Bădescu y Cathcart. [2] Las variantes que producen empuje pueden acelerar una estrella y cualquier cosa que orbite alrededor de ella en una dirección dada. [3] [4] La creación de un sistema de este tipo convertiría a sus constructores en una civilización de tipo II en la escala de Kardashev .
Se han definido tres clases de motores estelares. [2]
Uno de los ejemplos más simples de un motor estelar es el propulsor Shkadov (nombrado en honor al Dr. Leonid Shkadov , quien lo propuso por primera vez), o un motor estelar de clase A. [5] Un motor de este tipo es un sistema de propulsión estelar, que consiste en un enorme espejo/ vela de luz —en realidad un tipo masivo de estatita solar lo suficientemente grande como para clasificarse como una megaestructura— que equilibraría la atracción gravitatoria hacia la estrella y la presión de radiación que la aleja de ella. Dado que la presión de radiación de la estrella ahora sería asimétrica , es decir, se emitiría más radiación en una dirección en comparación con otra, la presión de radiación "excedente" actúa como empuje neto , acelerando la estrella en la dirección de la estatita flotante. Tal empuje y aceleración serían muy leves, pero un sistema así podría ser estable durante milenios. Cualquier sistema planetario unido a la estrella sería "arrastrado" por su estrella madre. Para una estrella como el Sol , con una luminosidad de 3,85 × 1026 W y masa 1,99 × 1030 kg , el empuje total producido al reflejar la mitad de la emisión solar sería 1,28 × 1018 N. Después de un período de un millón de años, esto daría una velocidad impartida de 20 m/s, con un desplazamiento desde la posición original de 0,03 años luz . Después de mil millones de años, la velocidad sería de 20 km/s y el desplazamiento de 34.000 años luz, un poco más de un tercio del ancho estimado de la galaxia de la Vía Láctea .
Un motor estelar de clase B está formado por dos esferas concéntricas alrededor de una estrella. La esfera interior (que puede asimilarse a una capa de Dyson) recibe energía de la estrella y se calienta más que la esfera exterior. La diferencia de temperatura entre las dos esferas impulsa motores térmicos capaces de proporcionar trabajo mecánico.
A diferencia del propulsor Shkadov, un motor estelar de clase B no es propulsor.
Un motor estelar de clase C , como el motor Badescu–Cathcart [2] , combina las otras dos clases, empleando tanto los aspectos propulsores del propulsor Shkadov como los aspectos de generación de energía de un motor de clase B. Una carcasa Dyson de temperatura más alta parcialmente cubierta por un espejo combinada con una esfera exterior a una temperatura más baja sería una encarnación de dicho sistema. El espejo no esférico asegura la conversión del impulso de luz en empuje efectivo (como un motor estelar de clase A), mientras que la diferencia de temperatura puede usarse para convertir la energía de la estrella en trabajo mecánico (como un motor estelar de clase B). Nótese que dicho sistema sufre los mismos problemas de estabilización que una carcasa no propulsora, como lo sería un enjambre Dyson con un gran espejo de estatina (ver imagen de arriba). Una variante de burbuja Dyson ya es un propulsor Shkadov (siempre que la disposición de los componentes de estatina sea asimétrica); agregar capacidad de extracción de energía a los componentes parece una extensión casi trivial.
El astrónomo Matthew E. Caplan, de la Universidad Estatal de Illinois, ha propuesto un tipo de motor estelar que utiliza energía estelar concentrada (reutilizando las estatitas de espejo de la clase A) para excitar ciertas regiones de la superficie exterior de la estrella y crear haces de viento solar para que los recoja un conjunto de estatorreactores Bussard múltiples . Los estatorreactores producirían plasma dirigido para estabilizar su órbita y chorros de oxígeno-14 para empujar la estrella. Utilizando cálculos rudimentarios que suponen la máxima eficiencia, Caplan estima que el motor Bussard utilizaría 10 12 kg de material solar por segundo para producir una aceleración máxima de 10 −9 m/s 2 , lo que daría una velocidad de 200 km/s después de 5 millones de años y una distancia de 10 parsecs en 1 millón de años. Aunque teóricamente el motor Bussard funcionaría durante 100 millones de años, dada la tasa de pérdida de masa del Sol, Caplan considera que 10 millones de años son suficientes para evitar una colisión estelar. [6] Su propuesta fue encargada por el canal educativo alemán de YouTube Kurzgesagt . [7]
Alexander A. Svoronos, de la Universidad de Yale, propuso el "Star Tug", un concepto que combina aspectos del propulsor Shkadov y el motor Caplan para producir un mecanismo aún más potente y eficiente para controlar el movimiento de una estrella. Básicamente, reemplaza el espejo parabólico gigante del propulsor Shkadov con un motor alimentado por masa extraída de la estrella, similar al motor Caplan. Sin embargo, en lugar de empujar una estrella desde atrás con un haz de empuje, como lo hace el motor Caplan, tira de la estrella desde el frente a través de su vínculo gravitacional con ella, al igual que el propulsor Shkadov. Como resultado, solo necesita producir un solo haz de empuje (hacia la estrella, pero sin llegar a ella), mientras que el motor Caplan debe producir dos haces de empuje (uno para empujar la estrella desde atrás y anular la fuerza de gravedad entre el motor y la estrella, y otro para propulsar el sistema en su conjunto hacia adelante). El resultado es que el Svoronos Star Tug es un motor mucho más eficiente, capaz de aceleraciones y velocidades máximas significativamente mayores. El tirón estelar de Svoronos puede, en principio (asumiendo una eficiencia perfecta), acelerar el Sol a ~27% de la velocidad de la luz (después de quemar suficiente masa del Sol para transformarlo en una enana marrón). [8]