El viaje espacial bajo aceleración constante es un método hipotético de viaje espacial que implica el uso de un sistema de propulsión que genera una aceleración constante en lugar de los empujes cortos e impulsivos producidos por los cohetes químicos tradicionales . Durante la primera mitad del viaje, el sistema de propulsión aceleraría constantemente la nave espacial hacia su destino, y durante la segunda mitad del viaje desaceleraría constantemente la nave espacial. [1] La aceleración constante podría usarse para lograr velocidades relativistas , [2] [3] [4] lo que la convierte en un medio potencial para lograr viajes interestelares humanos . Este modo de viaje aún no se ha utilizado en la práctica.
La aceleración constante tiene dos ventajas principales:
Tanto las trayectorias de empuje constante como las de aceleración constante implican que la nave espacial encienda su motor de forma continua. En una trayectoria de empuje constante, [5] la aceleración del vehículo aumenta durante el período de empuje, ya que el uso de combustible disminuye la masa del vehículo. Si, en lugar de un empuje constante, el vehículo tiene una aceleración constante, el empuje del motor disminuye durante el viaje.
La nave espacial debe cambiar su orientación a mitad del viaje y desacelerar el resto del camino, si es necesario para llegar a su destino (a diferencia de un sobrevuelo).
Una nave espacial que utilice una aceleración constante significativa se acercará a la velocidad de la luz en distancias interestelares , por lo que los efectos de la relatividad especial , incluida la dilatación del tiempo (la diferencia en el flujo de tiempo entre el tiempo de la nave y el tiempo local), se vuelven importantes. [7]
La distancia recorrida, bajo aceleración propia constante , desde el punto de vista de la Tierra en función del tiempo del viajero se expresa por la coordenada distancia x en función del tiempo propio τ a aceleración propia constante a . Viene dada por: [8] [9]
donde c es la velocidad de la luz.
En las mismas circunstancias, el tiempo transcurrido en la Tierra (el tiempo de coordenadas ) en función del tiempo del viajero viene dado por:
Una limitación de la aceleración constante es la falta de combustible suficiente. La aceleración constante sólo es posible si se desarrollan combustibles con un impulso específico mucho mayor que el disponible actualmente.
Existen dos enfoques generales para lograr una mayor propulsión de impulso específico:
La recogida de combustible a lo largo del camino (el método del estatorreactor ) perderá eficacia a medida que la velocidad de la nave espacial aumente en relación con la referencia planetaria. Esto sucede porque el combustible debe acelerarse hasta la velocidad de la nave espacial antes de poder extraer su energía, y eso reducirá drásticamente la eficiencia del combustible .
Un problema relacionado es la resistencia aerodinámica . Si la nave espacial, que viaja a una velocidad cercana a la de la luz, interactúa con materia que se mueve lentamente en el marco de referencia planetario, esto provocará una resistencia aerodinámica que reducirá una parte de la aceleración del motor.
Un segundo gran problema al que se enfrentan las naves que utilizan aceleración constante para los viajes interestelares es la colisión con materia y radiación durante el trayecto. A mitad de viaje, cualquier impacto de ese tipo se producirá a una velocidad cercana a la de la luz, por lo que el resultado será dramático.
Si una nave espacial utiliza una aceleración constante a lo largo de distancias interestelares, se acercará a la velocidad de la luz durante la parte media de su viaje cuando se la observe desde el marco de referencia planetario . Esto significa que los efectos de la relatividad serán importantes. El efecto más importante es que el tiempo parecerá transcurrir a velocidades diferentes en el marco de referencia de la nave y en el marco planetario, y esto significa que la velocidad de la nave y el tiempo de viaje parecerán diferentes en los dos marcos.
Desde el marco de referencia planetario, la velocidad de la nave parecerá estar limitada por la velocidad de la luz: puede acercarse a la velocidad de la luz, pero nunca alcanzarla. Si una nave utiliza una aceleración constante de 1 g , parecerá que se acerca a la velocidad de la luz en aproximadamente un año y habrá recorrido aproximadamente medio año luz de distancia. Durante la mitad del viaje, la velocidad de la nave será aproximadamente la velocidad de la luz y se reducirá nuevamente a cero en el transcurso de un año al final del viaje.
Como regla general, para una aceleración constante de 1 g ( gravedad terrestre ), el tiempo de viaje, medido en la Tierra , será la distancia en años luz hasta el destino, más 1 año. Esta regla general dará resultados que son ligeramente más cortos que la respuesta exacta calculada, pero razonablemente precisos.
Desde el punto de vista de los que están a bordo de la nave, la aceleración no cambiará a medida que avance el viaje. En cambio, el marco de referencia planetario parecerá cada vez más relativista. Esto significa que para los viajeros a bordo de la nave, el viaje parecerá mucho más corto que lo que ven los observadores planetarios.
Con una aceleración constante de 1 g , un cohete podría recorrer el diámetro de nuestra galaxia en unos 12 años de tiempo de nave y unos 113.000 años de tiempo planetario. Si la última mitad del viaje implica una desaceleración a 1 g , el viaje duraría unos 24 años. Si el viaje es simplemente a la estrella más cercana, con una desaceleración en la última mitad del camino, tardaría 3,6 años. [10]
Las naves espaciales de las historias de Venus Equilátera de George O. Smith son todas naves con aceleración constante. La aceleración normal es de 1 g , pero en "El triángulo externo" se menciona que son posibles aceleraciones de hasta 5 g si la tripulación está drogada con gravanol [11] para contrarrestar los efectos de la carga g .
" Sky Lift " es un cuento de ciencia ficción de Robert A. Heinlein, publicado por primera vez en 1953. En la historia, un piloto de una nave antorcha despega desde la órbita de la Tierra hacia Plutón en una misión para entregar una cura a una plaga que asola una estación de investigación. [12]
Tau Zero , unanovela de ciencia ficción dura de Poul Anderson , tiene una nave espacial que utiliza un motor de aceleración constante.
Las naves espaciales de la novela The Forever War de Joe Haldeman de 1974 hacen un uso extensivo de la aceleración constante; requieren un equipo de seguridad elaborado para mantener con vida a sus ocupantes a alta aceleración (hasta 25 g ), y aceleran a 1 g incluso cuando están "en reposo" para proporcionar a los humanos un nivel de gravedad cómodo.
En el universo del Espacio Conocido , construido por Larry Niven , la Tierra utiliza motores de aceleración constante en forma de estatorreactores Bussard para ayudar a colonizar los sistemas planetarios más cercanos . En la novela sobre el espacio desconocido Un mundo fuera del tiempo , Jerome Branch Corbell (para sí mismo), "lleva" un estatorreactor al Centro Galáctico y regresa en 150 años de tiempo de naves (la mayor parte en sueño frío), pero en la Tierra pasan 3 millones de años.
En El gorrión , de Mary Doria Russell , el viaje interestelar se logra convirtiendo un pequeño asteroide en una nave espacial de aceleración constante. La fuerza se aplica mediante motores iónicos alimentados con material extraído del propio asteroide.
En la serie Revelation Space de Alastair Reynolds , el comercio interestelar depende de naves espaciales "abrazadoras de luz" que pueden acelerar indefinidamente a 1 g , con motores de aceleración constante impulsados por antimateria. Los efectos de los viajes relativistas son un punto importante de la trama en varias historias, que informan sobre la psicología y la política de las tripulaciones "ultranautas" de las abrazadoras de luz, por ejemplo.
En la novela 2061: Odisea tres de Arthur C. Clarke , la nave espacial Universe , que utiliza un cohete de fusión catalizado por muones , es capaz de alcanzar una aceleración constante de 0,2 g con pleno empuje. La novela de Clarke, " Tierra imperial ", presenta un "motor asintótico", que utiliza un agujero negro microscópico y un propulsor de hidrógeno, para lograr una aceleración similar al viajar de Titán a la Tierra.
Las naves espaciales UET y Hidden Worlds de la saga Rissa Kerguelen de FM Busby utilizan un motor de aceleración constante que puede acelerar a 1 g o incluso un poco más.
Las naves de la serie Expanse de James SA Corey utilizan motores de aceleración constante, que también proporcionan gravedad artificial para los ocupantes.
En The Martian , de Andy Weir , la nave espacial Hermes utiliza un motor iónico de empuje constante para transportar astronautas entre la Tierra y Marte . En Project Hail Mary , también de Weir , la nave espacial del protagonista utiliza un motor de giro con aceleración constante de 1,5 g para viajar entre el Sistema Solar , Tau Ceti y 40 Eridani .
Exploradores en la Luna , uno de losálbumes de historietas de la serie Las aventuras de Tintín de Hergé , presenta un cohete lunar tripulado con un "motor de cohete atómico" no especificado. La nave acelera constantemente desde el despegue para proporcionar a los ocupantes una gravedad constante, hasta que se llega a un punto intermedio en el que la nave gira para desacelerar constantemente hacia la Luna.
La Flota Perdida , escrita por John G. Hemry bajo el seudónimo de Jack Campbell, es una serie de ciencia ficción militar en la que varias naves de todos los tamaños utilizan propulsión de aceleración constante para viajar distancias dentro de sistemas estelares. Teniendo en cuenta los efectos relativistas en el combate espacial, la comunicación y el tiempo, las naves trabajan en varias formaciones para maximizar la potencia de fuego y minimizar el daño recibido. La serie también presenta el uso de motores de salto para viajar entre estrellas utilizando puntos de salto gravitacionales, así como el uso de hiperredes, que utilizan el entrelazamiento cuántico y los principios de onda de probabilidad para viajes de larga distancia entre puertas construidas masivamente.
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