La propulsión de campo es el concepto de propulsión de naves espaciales en el que no se necesita ningún propulsor , sino que el momento de la nave espacial se modifica mediante la interacción de la nave espacial con campos de fuerza externos , como los campos gravitatorios y magnéticos de las estrellas y los planetas. Los sistemas de propulsión propuestos que utilizan propulsión de campo suelen denominarse propulsores sin reacción o sin propulsor .
Aunque actualmente no se utiliza ampliamente en el espacio, existen ejemplos terrestres probados de "propulsión de campo", en los que los campos electromagnéticos actúan sobre un medio conductor como el agua de mar o el plasma para la propulsión, lo que se conoce como magnetohidrodinámica o MHD. La MHD es similar en funcionamiento a los motores eléctricos, sin embargo, en lugar de utilizar partes móviles o conductores metálicos, se emplean conductores de fluido o plasma. El EMS-1 y, más recientemente, el Yamato 1 [1] son ejemplos de tales sistemas de propulsión de campo electromagnético, descritos por primera vez en 1994. [2] Existe potencial para aplicar MHD al entorno espacial, como en experimentos como el tether electrodinámico de la NASA , las Órbitas Actuadas de Lorentz , [3] el vehículo aéreo electromagnético sin alas y el propulsor magnetoplasmadinámico (que utiliza propulsor).
La electrohidrodinámica es otro método mediante el cual se utilizan fluidos cargados eléctricamente para la propulsión y el control de la capa límite, como la propulsión iónica [ cita requerida ]
Otros métodos prácticos que podrían considerarse libremente como propulsión de campo incluyen: la trayectoria asistida por gravedad , que utiliza campos de gravedad planetarios y momento orbital; las velas solares y las velas magnéticas utilizan respectivamente la presión de radiación y el viento solar para el empuje de la nave espacial; el aerofrenado utiliza la atmósfera de un planeta para cambiar la velocidad relativa de una nave espacial. Los dos últimos en realidad implican el intercambio de momento con partículas físicas y no suelen expresarse como una interacción con campos, pero a veces se incluyen como ejemplos de propulsión de campo ya que no se requiere propulsor para naves espaciales. Un ejemplo es el diseño de vela magnética Magsail . [4] : Sec. VIII
Otros conceptos que se han propuesto son especulativos y utilizan la "física de frontera" y conceptos de la física moderna . Hasta ahora, ninguno de estos métodos ha sido demostrado de forma inequívoca, y mucho menos probado en la práctica.
El efecto Woodward se basa en un concepto controvertido de inercia y en ciertas soluciones de las ecuaciones de la relatividad general . Desde la década de 1990 se han llevado a cabo experimentos que intentan demostrar de manera concluyente este efecto.
En cambio, los ejemplos de propuestas de propulsión de campo que se basan en la física fuera de los paradigmas actuales son varios esquemas de velocidad superior a la luz , propulsión warp y antigravedad , y a menudo son poco más que frases descriptivas pegadizas, sin ninguna base física conocida [ cita requerida ] . Hasta que se demuestre que la conservación de la energía y el momento se rompen en ciertas condiciones (o escalas), cualquier esquema de este tipo que merezca ser discutido debe depender de la transferencia de energía y momento a la nave espacial desde alguna fuente externa, como un campo de fuerza local, que a su vez debe obtenerlo de otras fuentes de momento y/o energía en el cosmos (para satisfacer la conservación tanto de la energía como del momento). [ cita requerida ]
Varias personas han especulado que el efecto Casimir podría usarse para crear un sistema de propulsión sin propulsor, a menudo descrito como la " Vela Casimir" o una " Vela Cuántica ". [5] [6] [7] [8]
Este concepto se basa en la teoría de la relatividad general y en la teoría cuántica de campos, a partir de las cuales se puede proponer la idea de que el espacio tiene una estructura física. La estructura macroscópica se describe mediante la teoría de la relatividad general y la estructura microscópica mediante la teoría cuántica de campos. La idea es deformar el espacio alrededor de la nave espacial. Al deformar el espacio sería posible crear una región con mayor presión detrás de la nave espacial que delante de ella. Debido al gradiente de presión, se ejercería una fuerza sobre la nave espacial que, a su vez, crearía empuje para la propulsión. [9] Debido a la naturaleza puramente teórica de este concepto de propulsión, es difícil determinar la cantidad de empuje y la velocidad máxima que se podría alcanzar. Actualmente existen dos conceptos diferentes para un sistema de propulsión de campo de este tipo: uno que se basa puramente en la teoría de la relatividad general y otro basado en la teoría cuántica de campos. [10]
En el campo relativista general, el sistema de propulsión considera que el espacio es un campo elástico similar al caucho, lo que significa que el espacio en sí mismo puede tratarse como un cuerpo elástico infinito. Si el espacio-tiempo se curva, se genera una tensión superficial normal hacia el interior que actúa como campo de presión. Al crear un gran número de superficies curvas detrás de la nave espacial, es posible lograr una fuerza superficial unidireccional que puede utilizarse para la aceleración de la nave espacial. [10]
Para el sistema de propulsión teórico de campo cuántico se supone, como lo establecen la teoría cuántica de campos y la electrodinámica cuántica , que el vacío cuántico consiste en un campo electromagnético de radiación cero en un modo no radiante y en un estado de energía de punto cero , el estado de energía más bajo posible. También se teoriza que la materia está compuesta de entidades cargadas primarias elementales, partones , que están unidas entre sí como osciladores elementales. Al aplicar un campo electromagnético de punto cero, se aplica una fuerza de Lorentz sobre los partones. Usar esto en un material dieléctrico podría afectar la inercia de la masa y de esa manera crear una aceleración del material sin crear estrés o tensión dentro del material. [10]
La conservación del momento es un requisito fundamental de los sistemas de propulsión porque en los experimentos el momento siempre se conserva. [11] Esta ley de conservación está implícita en el trabajo publicado de Newton y Galileo, pero surge en un nivel fundamental de la simetría de traslación espacial de las leyes de la física, como lo da el teorema de Noether . En cada una de las tecnologías de propulsión, se requiere alguna forma de intercambio de energía con el momento dirigido hacia atrás a la velocidad de la luz 'c' o alguna velocidad menor 'v' para equilibrar el cambio de momento hacia adelante. En ausencia de interacción con un campo externo, la potencia 'P' que se requiere para crear una fuerza de empuje 'F' está dada por cuando se expulsa masa o si se expulsa energía sin masa.
Para un cohete de fotones, la eficiencia es demasiado pequeña para ser competitivo. [12] Otras tecnologías pueden tener mejor eficiencia si la velocidad de eyección es menor que la velocidad de la luz, o un campo local puede interactuar con otro campo a gran escala del mismo tipo que reside en el espacio, que es el propósito de la propulsión de efecto de campo.
La principal ventaja de los sistemas de propulsión de campo es que no se necesita ningún propulsor, solo una fuente de energía. Esto significa que no es necesario almacenar ni transportar ningún propulsor con la nave espacial, lo que la hace atractiva para misiones tripuladas interplanetarias o incluso interestelares de larga duración . [10] Con la tecnología actual, se debe llevar al destino una gran cantidad de combustible destinado al viaje de regreso, lo que aumenta significativamente la carga útil de la nave espacial en general. Por lo tanto, el aumento de la carga útil de combustible requiere más fuerza para acelerarla, lo que requiere aún más combustible, que es el principal inconveniente de la tecnología actual de cohetes. Aproximadamente el 83% de un cohete propulsado por hidrógeno y oxígeno, que puede alcanzar la órbita, es combustible. [13]
La idea de que con la propulsión de campo no se necesitaría un tanque de combustible es técnicamente inexacta. La energía requerida para alcanzar las altas velocidades involucradas comienza a ser nada despreciable para los viajes interestelares . Por ejemplo, una nave espacial de 1 tonelada que viaja a 1/10 de la velocidad de la luz lleva una energía cinética de 4,5 × 10 17 julios , igual a 5 kg según la equivalencia masa-energía . Esto significa que para acelerar a tal velocidad, sin importar cómo se logre esto, la nave espacial debe haber convertido al menos 5 kg de masa/energía en momento, imaginando una eficiencia del 100%. Aunque dicha masa no ha sido "expulsada", aún así ha sido "eliminada".
