Estatorreactor Bussard
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Concepción artística de un estatorreactor Bussard. Un componente importante de un estatorreactor real, un campo electromagnético de millas de ancho, es invisible.

El estatorreactor Bussard es un método teórico de propulsión de naves espaciales propuesto en 1960 por el físico Robert W. Bussard , popularizado por la novela Tau Zero de Poul Anderson , Larry Niven en su serie de libros Known Space , Vernor Vinge en su serie Zones of Thought , y referido por Carl Sagan en la serie de televisión y el libro Cosmos .

Bussard [1] propuso una variante ramjet de un cohete de fusión capaz de realizar viajes interestelares razonables , usando enormes campos electromagnéticos (que van desde kilómetros a muchos miles de kilómetros de diámetro) como una pala para recolectar y comprimir hidrógeno del medio interestelar . Las altas velocidades fuerzan a la masa reactiva a entrar en un campo magnético progresivamente restringido, comprimiéndolo hasta que se produce la fusión termonuclear . El campo magnético luego dirige la energía hacia los gases de escape del cohete , proporcionando empuje.

Factibilidad

Desde el momento de la propuesta original de Bussard, se ha descubierto que la región que rodea al Sistema Solar tiene una densidad de hidrógeno mucho menor de lo que se creía en ese momento (ver Nube interestelar local ). John Ford Fishback hizo una importante contribución a los detalles del estatorreactor Bussard en 1969. [2] TA Heppenheimer analizó la sugerencia original de Bussard de fusionar protones , pero descubrió que las pérdidas de Bremsstrahlung al comprimir protones a densidades de fusión eran mayores que la potencia que se podía producir. por un factor de aproximadamente mil millones, lo que indica que la versión propuesta del estatorreactor Bussard no era factible. [3]Sin embargo, el análisis de Daniel P. Whitmire de 1975 [4] indica que un estatorreactor puede alcanzar potencia neta a través del ciclo CNO , que produce fusión a una velocidad mucho mayor (~ 10 16 veces mayor) que la cadena protón-protón .

Robert Zubrin y Dana Andrews analizaron una versión hipotética del diseño de estatorreactor y estatorreactor Bussard en 1985. Determinaron que su versión del estatorreactor no podría acelerar hacia el viento solar. Sin embargo, en sus cálculos asumieron que:

  1. La velocidad de escape de su estatorreactor de propulsión iónica interplanetaria no podría exceder los 100.000 m / s (100 km / s);
  2. La mayor fuente de energía disponible podría ser un reactor de fusión nuclear de 500 kilovatios .

En el diseño de estatorreactor interplanetario Zubrin / Andrews, calcularon que la fuerza de arrastre d / dt ( mv 1 ) es igual a la masa de los iones recogidos recogidos por segundo multiplicada por la velocidad de los iones recogidos dentro del sistema solar en relación con el ramscoop. Se supuso que la velocidad de los iones recogidos (recogidos) del viento solar era de 500.000 m / s.

Se supuso que la velocidad de escape de los iones cuando eran expulsados ​​por el estatorreactor no superaba los 100.000 m / s. El empuje del estatorreactor d / dt ( mv 2 ) era igual a la masa de iones expulsados ​​por segundo multiplicada por 100.000 metros por segundo. En el diseño de Zubrin / Andrews de 1985, esto resultó en la condición de que d / dt ( mv 1 )> d / dt ( mv 2 ). Esta condición provocó que la fuerza de arrastre excediera el empuje del hipotético estatorreactor en la versión Zubrin / Andrews del diseño.

Inventos relacionados

Cohete interestelar aumentado Ram (RAIR)

El problema de utilizar el medio interestelar como única fuente de combustible llevó al estudio del cohete interestelar aumentado Ram (RAIR). El RAIR transporta su suministro de combustible nuclear y agota los productos de reacción para producir algo de su empuje. Sin embargo, mejora en gran medida su rendimiento al extraer el medio interestelar y usarlo como masa de reacción adicional para aumentar el cohete. El sistema de propulsión del RAIR consta de tres subsistemas: un reactor de fusión, un campo de cuchara y un acelerador de plasma. El campo de pala canaliza el gas interestelar hacia un "acelerador" (esto podría ser, por ejemplo, un sistema de intercambio de calor que transfiera energía térmica desde el reactor directamente al gas interestelar) que recibe energía de un reactor.Una de las mejores formas de entender este concepto es considerar que el combustible nuclear de hidrógeno que se lleva a bordo actúa como combustible (fuente de energía) mientras que el gas interestelar recogido por la pala y luego agotado a gran velocidad por la espalda actúa como propulsor ( losmasa de reacción ), el vehículo tiene, por tanto, un suministro de combustible limitado pero un suministro de propulsor ilimitado. Un estatorreactor Bussard normal tendría un suministro infinito de ambos. Sin embargo, la teoría sugiere que cuando un estatorreactor Bussard sufriría arrastre por tener que preacelerar el gas interestelar a su propia velocidad antes de la admisión, un sistema RAIR podría transferir energía a través del mecanismo "acelerador" al medio interestelar a pesar de las diferencias de velocidad. y así sufriría mucho menos arrastre. [5] [6] [7] [8]

Ramjet interestelar accionado por láser

La energía transmitida junto con un vehículo que extrae hidrógeno del medio interestelar es otra variante. Una matriz de láser en el sistema solar emite rayos a un colector en un vehículo que usa algo así como un acelerador lineal para producir empuje. Esto resuelve el problema del reactor de fusión del estatorreactor. Existen limitaciones debido a la atenuación de la energía transmitida con la distancia. [9]

Vela magnética

Los cálculos (de Robert Zubrin y un asociado) inspiraron la idea de un paracaídas magnético o una vela . Esto podría ser importante para los viajes interestelares porque significa que la desaceleración en el destino se puede realizar con un paracaídas magnético en lugar de un cohete. [10]

Motor estelar basado en enjambre Dyson (propulsor Caplan)

El astrofísico Matthew E. Caplan de la Universidad Estatal de Illinois ha propuesto un tipo de motor estelar que utiliza un enjambre de espejos Dyson para concentrar la energía estelar en ciertas regiones de una estrella similar al Sol, produciendo rayos de viento solar para ser recogidos por un multi-ramjet. conjunto que a su vez produce chorros de plasma dirigidos para estabilizar su órbita y oxígeno-14 para empujar la estrella. Utilizando cálculos rudimentarios que asumen la máxima eficiencia, Caplan estima que el motor Bussard usaría 10-15 gramos por segundo de material solar para producir una aceleración máxima de 10 −9 m / s 2., dando una velocidad de 200 km / s después de 5 millones de años, y una distancia de 10 parsecs durante 1 millón de años. El motor Bussard funcionaría teóricamente durante 100 millones de años dada la tasa de pérdida de masa del Sol, pero Caplan considera que 10 millones de años son suficientes para evitar una colisión estelar. [11] Su propuesta fue encargada por el canal educativo de YouTube Kurzgesagt . [12]

Trayectoria pre-sembrada

Varias de las obvias dificultades técnicas con el estatorreactor Bussard pueden superarse mediante el prelanzamiento de combustible a lo largo de la trayectoria de la nave espacial [13] utilizando algo como un cañón magnético.

Las ventajas de este sistema incluyen

  • Lanzar solo combustible de fusión ionizado para que las palas magnéticas o electrostáticas puedan canalizar más fácilmente el combustible hacia el motor. El inconveniente es que esto hará que el combustible se disperse debido a la repulsión electrostática.
  • Lanzar el combustible en una trayectoria de modo que el vector de velocidad del combustible coincida estrechamente con el vector de velocidad esperado de la nave espacial en ese punto de su trayectoria. Esto minimizará las fuerzas de "arrastre" generadas por la recolección de combustible.
  • Lanzamiento de relaciones isotópicas optimizadas para los motores de fusión en la nave espacial. Un estatorreactor Bussard convencional recolectará principalmente hidrógeno con un peso atómico de 1. Este isótopo es más difícil de fusionar que los isótopos de deuterio o tritio del hidrógeno. Al lanzar la proporción ideal de isótopos de hidrógeno para el motor de fusión en la nave espacial, se puede optimizar el rendimiento del motor de fusión.
  • Aunque el combustible prelanzado para el estatorreactor niega una ventaja del diseño de Bussard (recolección de combustible a medida que se mueve a través del medio interestelar, ahorrando el costo de lanzamiento de la masa de combustible), al menos conserva la ventaja de no tener que acelerar la masa de combustible. el combustible y la masa del cohete al mismo tiempo.
  • El combustible prelanzado proporcionaría algo de visibilidad en el medio interestelar, alertando así a la nave espacial de peligros invisibles (por ejemplo, enanas marrones ).

Las principales desventajas de este sistema incluyen

  • La nave espacial no podía desviarse de la trayectoria precalculada a menos que fuera crítico hacerlo. Cualquier desviación de este tipo separaría a la nave espacial de su suministro de combustible y la dejaría con una capacidad mínima para volver a su trayectoria original.
  • El combustible prelanzado para la desaceleración en la estrella de destino no estaría disponible a menos que se lanzara muchas décadas antes del lanzamiento de la nave espacial. Sin embargo, otros sistemas (como las velas magnéticas ) podrían usarse para este propósito.

Referencias

  1. ^ Bussard, Robert W. (1960). "Materia galáctica y vuelo interestelar" (PDF) . Astronautica Acta . 6 : 179-195. Archivado desde el original (PDF) el 17 de abril de 2018 . Consultado el 4 de octubre de 2014 .
  2. ^ Fishback, JF (1969). "Vuelo espacial interestelar relativista". Astronautica Acta . 15 : 25–35. Código Bibliográfico : 1969AsAc ... 15 ... 25F .
  3. ^ Heppenheimer, TA (1978). "Sobre la inviabilidad de los Ramjets interestelares". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 31 : 222. Bibcode : 1978JBIS ... 31..222H .
  4. ^ Whitmire, Daniel P. (mayo-junio de 1975). "Vuelo espacial relativista y el estatorreactor nuclear catalítico" (PDF) . Acta Astronautica . 2 (5–6): 497–509. Código Bibliográfico : 1975AcAau ... 2..497W . CiteSeerX 10.1.1.492.6775 . doi : 10.1016 / 0094-5765 (75) 90063-6 . Archivado desde el original (PDF) el 31 de octubre de 2018 . Consultado el 30 de agosto de 2009 .  
  5. ↑ Bond, A. (1974). "Un análisis del rendimiento potencial del cohete interestelar aumentado Ram". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 27 : 674–688. Código Bibliográfico : 1974JBIS ... 27..674B .
  6. ^ Powell, C. (1976). "Optimización del sistema para el cohete interestelar aumentado Ram". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 29 (2): 136. Bibcode : 1976JBIS ... 29..136P .
  7. ^ Jackson, A. (1980). "Algunas consideraciones sobre el cohete interestelar aumentado antimateria y Fusion Ram". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 33 : 117-120. Código Bibliográfico : 1980JBIS ... 33..117J .
  8. ^ Se puede encontrar más información sobre este concepto de RAIR en el libro "the star flight handbook" y en http://www.projectrho.com/public_html/rocket/slowerlight.php
  9. ^ Whitmire, D .; Jackson.A (1977). "Ramjet interestelar accionado por láser". Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 30 : 223–226. Código bibliográfico : 1977JBIS ... 30..223J .
  10. ↑ Perakis, N .; Andreas M. Hein (2016). "Combinación de velas eléctricas y magnéticas para la desaceleración interestelar" . Universidad de Cornell .
  11. ^ Caplan, Matthew (17 de diciembre de 2019). "Motores estelares: consideraciones de diseño para maximizar la aceleración" . Acta Astronautica . 165 : 96-104. Código bibliográfico : 2019AcAau.165 ... 96C . doi : 10.1016 / j.actaastro.2019.08.027 . Archivado desde el original el 23 de diciembre de 2019 . Consultado el 22 de diciembre de 2019 . URL alternativa
  12. ^ "Cómo escapar de un Super Nova - Motores estelares" . YouTube . Kurzgesagt. 22 de diciembre de 2019 . Consultado el 22 de diciembre de 2019 .
  13. ^ Discutido en Gilster, P. (2004). Sueños de Centauri: Imaginar y planificar la exploración interestelar . Saltador. págs.  146 –8. ISBN 978-0-387-00436-5.También en la entrada 'Una pista de fusión para estrellas cercanas' de centauri-dreams.org.
  • Para obtener más información sobre los cálculos matemáticos de ramjet, consulte Mallove, Eugene F .; Matloff, Gregory L. (1989). El manual de Star Flight . ISBN 978-0-471-61912-3.
  • Mallove, Eugene (1989). El manual de Starflight . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3.
  • Matloff, Gregory (5 de agosto de 2005). Sondas del espacio profundo: al sistema solar exterior y más allá . Libros Springer Praxis. ISBN 978-3540247722.
  • Anderson, Poul (2006). Tau Zero . Gollancz. ISBN 978-1407239132.

enlaces externos

  • Medio interestelar
  • Hidrógeno interestelar
  • Imágenes de Bussard Ramjet
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