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Propulsión mediante haz de energía

La propulsión por haz , también conocida como propulsión de energía dirigida, es un tipo de propulsión para aeronaves o naves espaciales que utiliza energía transmitida a la nav...

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La propulsión por haz , también conocida como propulsión de energía dirigida, es un tipo de propulsión para aeronaves o naves espaciales que utiliza energía transmitida a la nave desde una central eléctrica remota. El haz suele ser de microondas o láser , y puede ser pulsado o continuo. Un haz continuo es adecuado para cohetes térmicos , propulsores fotónicos y velas solares . En cambio, un haz pulsado es adecuado para propulsores ablativos y motores de detonación pulsada . [ 1 ]

La regla general que se suele citar es que se necesita un megavatio de potencia transmitida a un vehículo por cada kilogramo de carga útil mientras se está acelerando para permitirle alcanzar la órbita terrestre baja . [ 2 ]

Además del lanzamiento a órbita, también se han propuesto aplicaciones para desplazarse rápidamente por todo el mundo.

Fondo

Los cohetes son máquinas de impulso ; utilizan la masa expulsada para generar impulso. El impulso es el producto de la masa y la velocidad, por lo que los cohetes generalmente intentan concentrar la mayor velocidad posible en su masa de trabajo , minimizando así la masa necesaria. Para acelerar la masa de trabajo, se requiere energía . En un cohete convencional, el combustible se combina químicamente para proporcionar la energía, y los productos resultantes, las cenizas o los gases de escape, se utilizan como masa de trabajo.

No existe ninguna razón específica por la que el mismo combustible deba utilizarse tanto para generar energía como impulso. En el motor a reacción , por ejemplo, el combustible se usa únicamente para producir energía, y el aire proporciona la masa de trabajo que impulsa el avión. En los motores a reacción modernos, la cantidad de aire propulsado es mucho mayor que la cantidad utilizada para generar energía. Sin embargo, esta no es una solución para los cohetes, ya que estos ascienden rápidamente a altitudes donde el aire es demasiado tenue para ser útil como fuente de masa de trabajo.

Los cohetes pueden transportar su masa operativa y utilizar otras fuentes de energía. El problema radica en encontrar una fuente de energía con una relación potencia-peso comparable a la de los combustibles químicos. Los pequeños reactores nucleares pueden competir en este sentido, y en la década de 1960 se realizaron importantes investigaciones sobre propulsión termonuclear , pero las preocupaciones medioambientales y el aumento de los costes provocaron la cancelación de la mayoría de estos programas.

Se puede lograr una mayor mejora eliminando la energía generada por la nave espacial. Si el reactor nuclear se deja en tierra y su energía se transmite a la nave, también se elimina su peso. El problema entonces radica en introducir esa energía en la nave. Esta es la idea detrás de la transmisión de energía por haz.

Con la propulsión por haz, se puede dejar la fuente de energía fija en tierra y calentar directamente (o mediante un intercambiador de calor ) el propulsor de la nave espacial con un máser o un rayo láser desde una instalación fija. Esto permite que la nave espacial deje su fuente de energía en la base, ahorrando una cantidad considerable de masa y mejorando notablemente su rendimiento.

propulsión láser

Dado que un láser puede calentar el propulsor a temperaturas extremadamente altas, esto puede mejorar considerablemente la eficiencia de un cohete, ya que la velocidad de escape es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura. Los cohetes químicos convencionales tienen una velocidad de escape limitada por la cantidad fija de energía en los propelentes, pero los sistemas de propulsión por haz no tienen un límite teórico específico (aunque, en la práctica, sí existen límites de temperatura).

propulsión por microondas

En la propulsión térmica por microondas, se utiliza un haz de microondas externo para calentar un intercambiador de calor refractario a más de 1500 K, calentando así un propulsor como hidrógeno, metano o amoníaco. Esto mejora el impulso específico y la relación empuje/peso del sistema de propulsión en comparación con la propulsión de cohetes convencional. Por ejemplo, el hidrógeno puede proporcionar un impulso específico de 700 a 900 segundos y una relación empuje/peso de 50 a 150. [ 3 ]

Una variante, desarrollada por los hermanos James Benford y Gregory Benford , consiste en utilizar la desorción térmica del propulsor atrapado en el material de una vela de microondas masiva . Esto produce una aceleración muy alta en comparación con las velas impulsadas únicamente por microondas.

propulsión eléctrica

Algunos mecanismos de propulsión propuestos para naves espaciales utilizan energía eléctrica, la cual es aprovechada por un motor de cohete eléctrico, como un propulsor iónico o un motor de propulsión de plasma . Generalmente, estos sistemas contemplan paneles solares o un reactor a bordo. Sin embargo, ambas fuentes de energía son pesadas.

La propulsión dirigida mediante láser puede enviar energía a un panel fotovoltaico para la propulsión eléctrica láser. En este sistema, si incide una alta intensidad sobre el conjunto solar, es necesario un diseño cuidadoso de los paneles para evitar una disminución en la eficiencia de conversión debido a los efectos de calentamiento. John Brophy ha analizado la transmisión de energía láser a un conjunto fotovoltaico que alimenta un sistema de propulsión eléctrica de alta eficiencia como medio para realizar misiones con alto delta-V, como una misión precursora interestelar en un proyecto de Conceptos Avanzados Innovadores de la NASA . [ 4 ]

Un haz de microondas podría utilizarse para transmitir energía a una rectena para la propulsión eléctrica por microondas . La transmisión de energía por microondas se ha demostrado en la práctica en varias ocasiones (por ejemplo, en Goldstone, California, en 1974). Las rectenas son potencialmente ligeras y pueden manejar alta potencia con una alta eficiencia de conversión. Sin embargo, deben ser de gran tamaño para capturar una cantidad significativa de energía.

Impulso directo

Una viga también podría proporcionar impulso "empujando" directamente sobre la vela.

Un ejemplo es el uso de una vela solar para reflejar un rayo láser. Este concepto, llamado vela de luz impulsada por láser o vela láser , fue propuesto inicialmente por G. Marx [ 5 ] , pero fue analizado en detalle y desarrollado por primera vez por el físico Robert L. Forward en 1989 [ 6 ] como un método de viaje interestelar que evitaría relaciones de masa extremadamente altas al no transportar combustible. Landis [ 7 ] [ 8 ] , Mallove y Matloff [ 9 ] , Andrews [ 10 ] , Lubin [ 11 ] y otros realizaron análisis adicionales del concepto .

En un artículo posterior, Forward propuso impulsar una vela con un haz de microondas. [ 12 ] Esto tiene la ventaja de que la vela no necesita ser una superficie continua. Forward denominó a su propuesta de vela ultraligera " Starwisp ". Un análisis posterior de Landis [ 13 ] sugirió que el concepto Starwisp, tal como lo propuso inicialmente Forward, no funcionaría, pero que podrían implementarse variaciones de la propuesta.

El haz debe tener un diámetro grande para que solo una pequeña porción no alcance la vela debido a la difracción , y la antena láser o de microondas debe tener una buena estabilidad de apuntamiento para que la nave pueda inclinar sus velas con la suficiente rapidez para seguir el centro del haz. Esto cobra mayor importancia al pasar de viajes interplanetarios a viajes interestelares y al pasar de una misión de sobrevuelo a una misión de aterrizaje y a una misión de regreso. El emisor láser o de microondas probablemente sería una gran matriz de fase compuesta por pequeños dispositivos que obtienen su energía directamente de la radiación solar. El tamaño de la matriz elimina la necesidad de una lente o un espejo.

Otro concepto de propulsión por haz sería utilizar una vela magnética o una vela MMPP para desviar un haz de partículas cargadas desde un acelerador de partículas o un chorro de plasma . [ 14 ] Landis propuso una vela impulsada por haz de partículas en 1989, [ 7 ] y la analizó con más detalle en un artículo de 2004. [ 15 ] Jordin Kare ha propuesto una variante de esto en la que un "haz" de pequeñas velas de luz aceleradas por láser transferiría momento a un vehículo de vela magnética. [ 16 ]

Sistemas de haces de masa

Otro concepto de propulsión mediante haces utiliza gránulos o proyectiles de materia ordinaria. Un flujo de gránulos provenientes de un generador de masa estacionario es "reflejado" por la nave espacial (véase generador de masa) . [ 17 ] La ​​nave espacial no necesita energía ni masa de reacción para su propia propulsión. Para naves a velocidades subrelativistas, los haces de masa serían más eficientes que los haces de fotones. Nordley y Crowl señalan: "Un fotón debe viajar a la velocidad de la luz y, hasta que se alcanzan velocidades relativistas, un fotón reflejado se lleva casi tanta energía como la que tenía inicialmente. Sin embargo, la velocidad de una partícula masiva puede ajustarse de manera que la masa reflejada quede prácticamente inerte en el espacio con respecto a los generadores de haces, habiendo cedido casi toda su energía cinética a la nave estelar". [ 18 ]

Sistemas propuestos

Lightcraft

Un vehículo ligero es un vehículo actualmente en desarrollo que utiliza una fuente externa pulsada de energía láser o máser para proporcionar la energía necesaria para producir empuje.

El láser incide sobre un reflector parabólico en la parte inferior del vehículo, concentrando la luz para generar una región de temperatura extremadamente alta. El aire en esta región se calienta y se expande violentamente, produciendo empuje con cada pulso de luz láser. Una nave ligera debe suministrar este gas desde tanques a bordo o mediante un sólido ablativo en el espacio. Al dejar la fuente de energía del vehículo en tierra y utilizar la atmósfera como masa de reacción durante gran parte de su ascenso, una nave ligera podría entregar un porcentaje sustancial de su masa de lanzamiento a la órbita. Además, su fabricación podría ser potencialmente muy económica.

Pruebas

Temprano en la mañana del 2 de octubre de 2000 en la Instalación de Pruebas de Sistemas Láser de Alta Energía (HELSTF), Lightcraft Technologies, Inc. (LTI), con la ayuda de Franklin B. Mead del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE. UU. y Leik Myrabo, estableció un nuevo récord mundial de altitud de 233 pies (71 m) para su cohete propulsado por láser de 4,8  pulgadas (12,2  cm) de diámetro y 1,8 onzas (51 g) en un vuelo que duró 12,7 segundos. [ 19 ] Aunque gran parte del vuelo de las 8:35 a. m. se pasó flotando a más de 230 pies, el Lightcraft obtuvo un récord mundial por el vuelo libre propulsado por láser más largo jamás realizado y el mayor "tiempo en el aire" (es decir, lanzamiento a aterrizaje/recuperación) de un objeto propulsado por luz. Esto es comparable al primer vuelo de prueba del diseño de cohete de Robert Goddard . Aumentar la potencia del láser a 100 kilovatios permitirá vuelos a altitudes de hasta 30 kilómetros. Su objetivo es acelerar un microsatélite de un kilogramo hasta la órbita terrestre baja mediante un láser terrestre de un megavatio, diseñado a medida. Este sistema consumiría tan solo unos 20 dólares de electricidad, lo que reduciría considerablemente los costes de lanzamiento por kilogramo en comparación con los costes actuales (que se miden en miles de dólares). 

El diseño " lightcraft " de Myrabo consiste en una nave reflectante con forma de embudo que canaliza el calor del láser hacia el centro mediante una superficie parabólica reflectante. Esto provoca que el láser explote en el aire que se encuentra debajo, generando sustentación. Las superficies reflectantes de la nave concentran el haz en un anillo, donde calienta el aire a una temperatura casi cinco veces superior a la de la superficie del Sol, lo que provoca que el aire se expanda explosivamente para generar empuje.

Cohete térmico láser

Un cohete térmico láser es un cohete térmico en el que el propulsor se calienta mediante la energía proporcionada por un haz láser externo. [ 20 ] [ 21 ] En 1992, el fallecido Jordin Kare propuso un concepto más simple y a corto plazo con un cohete que contenía hidrógeno líquido. [ 22 ] El propulsor se calienta en un intercambiador de calor sobre el que incide el haz láser antes de salir del vehículo a través de una tobera convencional. Este concepto puede utilizar láseres de haz continuo, y los láseres semiconductores son ahora rentables para esta aplicación. [ 23 ] [ 24 ]

cohete térmico de microondas

En 2002, Kevin LG Parkin propuso un sistema similar utilizando microondas. [ 3 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] En mayo de 2012, el Proyecto DARPA/NASA Sistema de Lanzamiento Térmico de Ondas Milimétricas (MTLS) [ 28 ] comenzó los primeros pasos para implementar esta idea. El Proyecto MTLS fue el primero en demostrar un intercambiador de calor refractario absorbente de ondas milimétricas, integrándolo posteriormente en el sistema de propulsión de un pequeño cohete para producir el primer cohete térmico de ondas milimétricas. Simultáneamente, desarrolló el primer director de haz de ondas milimétricas de alta potencia y cooperativo y lo utilizó para intentar el primer lanzamiento de un cohete térmico de ondas milimétricas. Se intentaron varios lanzamientos, pero los problemas con el director de haz no pudieron resolverse antes de que se agotara la financiación en marzo de 2014.

Sistemas de haces de masa

El ingeniero aeroespacial y mecánico Artur Davoyan ha recibido financiación de la NASA para estudiar un sistema de propulsión por haz de partículas que impulsaría cargas útiles de una tonelada a 500 UA en menos de 20 años.

Nordley y Crowl proponen enormes paneles solares construidos por robots autorreplicantes ubicados en los puntos de Lagrange equiláteros Sol-Venus, capaces de generar haces de energía del orden de los cientos de petavatios. Con estas tecnologías, las naves podrían alcanzar velocidades relativistas, capaces de llegar a estrellas cercanas en décadas.

Ciencias económicas

La motivación para desarrollar sistemas de propulsión por haz proviene de las ventajas económicas que se obtienen gracias a un mejor rendimiento de la propulsión. En el caso de los vehículos de lanzamiento propulsados ​​por haz, un mejor rendimiento de la propulsión permite una combinación de mayor fracción de carga útil, mayores márgenes estructurales y menos etapas. El estudio de JASON de 1977 sobre propulsión láser, [ 29 ] escrito por Freeman Dyson , articula sucintamente la promesa del lanzamiento propulsado por haz:

La propulsión láser, una idea que podría revolucionar la tecnología espacial, podría, en teoría, lanzar vehículos de una sola etapa a órbitas terrestres bajas o altas desde tierra firme. La carga útil podría representar entre el 20 % y el 30 % del peso de despegue del vehículo. Es mucho más económica en el uso de masa y energía que la propulsión química, y ofrece mucha más flexibilidad para colocar vehículos idénticos en diversas órbitas.

Esta promesa se cuantificó en un estudio de Lockheed de 1978 [ 30 ] realizado para la NASA:

"Los resultados del estudio demostraron que, con tecnología avanzada, un sistema de cohete láser con transmisor láser espacial o terrestre podría reducir el presupuesto nacional destinado al transporte espacial entre 10 y 345 mil millones de dólares durante un ciclo de vida de 10 años, en comparación con sistemas avanzados de propulsión química (LO₂ - LH₂ ) de igual capacidad."

Costo del director de haz

Los estudios de la década de 1970 y otros posteriores han citado el costo del director de haz como un posible impedimento para los sistemas de lanzamiento impulsados ​​por haz. Un análisis reciente de costo-beneficio [ 31 ] estima que los cohetes térmicos de microondas (o láser) serían económicos una vez que el costo del director de haz caiga por debajo de 20 $/Watt. El costo actual de los láseres adecuados es <100 $/Watt y el costo de las fuentes de microondas adecuadas es <5 $/Watt. La producción en masa ha reducido el costo de producción de los magnetrones de hornos de microondas a <0,01 $/Watt y algunos láseres médicos a <10 $/Watt, aunque estos se consideran inadecuados para directores de haz.

Aplicaciones no espaciales

En 1964, William C. Brown demostró un helicóptero en miniatura equipado con una antena combinada y un dispositivo rectificador llamado rectena . La rectena convertía la energía de microondas en electricidad, lo que permitía que el helicóptero volara. [ 32 ]

En 2002, un grupo japonés impulsó un pequeño avión de aluminio utilizando un láser para vaporizar una gota de agua adherida a él, y en 2003, investigadores de la NASA hicieron volar un modelo de avión de 312 g (11 onzas) con una hélice alimentada por paneles solares iluminados por un láser. [ 33 ] Es posible que este tipo de propulsión mediante haz de luz sea útil para aeronaves o globos no tripulados de gran altitud y larga duración, diseñados tal vez para servir, como lo hacen los satélites hoy en día, como repetidores de comunicaciones, plataformas científicas o plataformas de vigilancia.

Se ha propuesto el uso de una " barredora láser " para eliminar los desechos espaciales de la órbita terrestre. Este es otro uso propuesto de la propulsión por haz de luz, aplicada a objetos no diseñados para ser propulsados ​​de esta manera, como por ejemplo, pequeños fragmentos desprendidos de satélites. La técnica funciona porque la energía del láser ablaciona un lado del objeto, generando un impulso que modifica la excentricidad de su órbita. Posteriormente, la órbita atravesaría la atmósfera y el objeto se desintegraría.

Un sistema interesante que utiliza diodos UV-C pulsados ​​emparejados y un tubo emisor VUV (probablemente de cuarzo relleno de argón/deuterio y energizado con HV) para modificar el viento iónico cerca de la superficie de un cable emisor alimentado por energía dirigida a un panel solar de polímero ligero puede ser una solución útil. Un híbrido del modelo de aeronave de la NASA de 2003 y otros avances, en particular el reciente planeador iónico autosostenible demostrado por el MIT, y a gran altitud la absorción atmosférica se reduce, lo que permite que un satélite orbital "tome el control" de la energía, permitiendo así que el dispositivo entre en LEO. Una variante adicional es agregar la masa y los paneles solares de cada satélite "elevado" al sistema principal usando fijaciones magnéticas como una forma de construir una planta de energía orbital con costos más bajos.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Avance (29/05/2018), Progreso en la propulsión de energía dirigida | Kevin Parkin , consultado el 07/06/2018
  2. ↑ "Copia archivada" . Archivado del original el 28/09/2011 . Recuperado el 31/08/2009 .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: copia archivada como título ( enlace )
  3. 1 2 Parkin, Kevin LG (2006), El propulsor térmico de microondas y su aplicación al problema del lanzamiento , Instituto Tecnológico de California, doi : 10.7907/T337-T709
  4. ↑ John Brophy, Una arquitectura de propulsión innovadora para misiones precursoras interestelares , NASA, 30 de marzo de 2018. Consultado el 18 de noviembre de 2019.
  5. ↑ G. Marx, "Vehículo interestelar propulsado por un rayo láser", Nature, vol. 211 , julio de 1966, págs. 22-23.
  6. ↑ RL Forward, "Viaje interestelar de ida y vuelta mediante velas solares impulsadas por láser", J. Spacecraft and Rockets, vol. 21 , págs. 187-195 (marzo-abril de 1989)
  7. 1 2 G. A. Landis, "Consideraciones ópticas y de materiales para una vela de luz propulsada por láser", artículo IAA-89-664, 40.º Congreso de la Federación Internacional de Astronáutica, Málaga, España, 7-12 de octubre de 1989 ( resumen ) ( artículo completo )
  8. ↑ GA Landis, "Sonda interestelar de vela de luz pequeña impulsada por láser: un estudio de variaciones de parámetros", J. British Interplanetary Society , vol. 50 , n.° 4, págs. 149-154 (1997); documento IAA-95-4.1.1.02,
  9. ↑ Eugene Mallove y Gregory Matloff (1989). The Starflight Handbook . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3.
  10. ↑ Andrews, Dana G. (1994). "Consideraciones de costos para misiones interestelares". Acta Astronautica . 34 . Elsevier BV: 357– 365. Bibcode : 1994AcAau..34..357A . doi : 10.1016/0094-5765(94)90272-0 . ISSN 0094-5765 . 
  11. ↑ P. Lubin, et al , " Energía dirigida para propulsión relativista y comunicaciones interestelares ," J. British Interplanetary Soc., Vol. 68, No. 5/6, mayo de 2015, pp. 172.
  12. ↑ Forward, Robert L. (1985). "Starwisp - Una sonda interestelar ultraligera". Journal of Spacecraft and Rockets . 22 (3). American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA): 345– 350. Bibcode : 1985JSpRo..22..345F . doi : 10.2514/3.25754 . ISSN 0022-4650 . 
  13. ↑ GA Landis, " Vela interestelar impulsada por microondas: Starwisp revisitada" , documento AIAA-2000-3337, 36.ª Conferencia Conjunta de Propulsión, Huntsville, AL, 17-19 de julio de 2000. ( "Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica - Documentos de reuniones" . Archivado del original el 17 de febrero de 2007. Recuperado el 28 de febrero de 2007 .)
  14. ↑ Gilster, Paul (18 de abril de 2005). "Vuelo interestelar mediante haz de partículas: una revisión" . Centauri Dreams .
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  • Vídeo de la NASA sobre propulsión láser en YouTube
  • Ajuste fino de la vela de luz interestelar
  • Cómo funcionan las cosas: propulsión por luz