conductor de masa

Un propulsor de masa o catapulta electromagnética es un método propuesto de lanzamiento espacial sin cohetes que utilizaría un motor lineal para acelerar y catapultar cargas útiles a altas velocidades. Los propulsores de masa existentes y propuestos utilizan bobinas de alambre energizadas por electricidad para crear electroimanes , aunque también se ha propuesto un propulsor de masa rotatorio. ^{[ 1 ]} El disparo secuencial de una fila de electroimanes acelera la carga útil a lo largo de una trayectoria.

Si bien cualquier dispositivo utilizado para impulsar una carga balística es técnicamente un propulsor de masa, en este contexto un propulsor de masa es esencialmente un cañón de bobina que acelera magnéticamente un paquete compuesto por un soporte magnetizable que contiene la carga útil. Una vez acelerada la carga útil, ambos componentes se separan, y el soporte se desacelera y se recicla para otra carga útil. Alternativamente, un propulsor de masa puede basarse en motores de inducción lineal, como los utilizados en el Sistema Electromagnético de Lanzamiento de Aeronaves (EMALS) del portaaviones USS Gerald R. Ford  .

Los propulsores de masa pueden utilizarse para impulsar naves espaciales de tres maneras distintas: Un propulsor de masa grande, ubicado en tierra, podría lanzar una nave espacial lejos de la Tierra, la Luna u otro cuerpo celeste. Un propulsor de masa pequeño podría funcionar como un motor de cohete a bordo de una nave espacial, lanzando fragmentos de material al espacio para impulsarse. Otra variante consistiría en utilizar una instalación masiva en una Luna o asteroide para enviar proyectiles que ayuden a una nave distante.

Los cañones de masa miniaturizados también pueden utilizarse como armas de forma similar a las armas de fuego clásicas o los cañones que utilizan combustión química . También son posibles híbridos entre cañones de bobina y cañones de riel, como los cañones de riel helicoidales . ^{[ 2 ]}

Los lanzadores de masa no necesitan contacto físico entre las partes móviles porque guían sus proyectiles mediante levitación magnética dinámica, lo que permite una reutilización extrema en el caso de conmutación de potencia de estado sólido y una vida útil funcional de  , teóricamente  , hasta millones de lanzamientos. Si bien los costos marginales tienden a ser bajos, los costos iniciales de desarrollo y construcción dependen en gran medida del rendimiento, especialmente de la masa, la aceleración y la velocidad previstas de los proyectiles. Por ejemplo, mientras que Gerard O'Neill construyó su primer lanzador de masa en 1976-1977 con un presupuesto de $2000, un modelo de prueba corto que disparaba un proyectil a 40  m/s y 33 g , ^{[ 3 ]} su siguiente modelo tenía una aceleración de un orden de magnitud mayor ^{[ 4 ]} después de un aumento comparable en la financiación, y, unos años más tarde, investigadores de la Universidad de Texas estimaron que un lanzador de masa que disparara un proyectil de 10 kilogramos a 6000  m/s costaría $47 millones. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Para una cantidad dada de energía involucrada, los objetos más pesados ​​se mueven proporcionalmente más lento. Los objetos ligeros pueden proyectarse a 20  km/s o más. Los límites son generalmente el costo del almacenamiento de energía que se puede descargar con la suficiente rapidez y el costo de la conmutación de potencia, que puede realizarse mediante semiconductores o interruptores de fase gaseosa (que todavía suelen tener un nicho en aplicaciones de potencia pulsada extrema). ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Sin embargo, la energía se puede almacenar inductivamente en bobinas superconductoras. Un  impulsor de masa de 1 km de longitud hecho de bobinas superconductoras puede acelerar un  vehículo de 20 kg a 10,5  km/s con una eficiencia de conversión del 80 % y una aceleración promedio de 5600 g. ^{[ 10 ]}

Los propulsores terrestres para impulsar vehículos a órbita, como el concepto StarTram , requerirían una inversión de capital considerable. ^{[ 11 ]} La gravedad relativamente fuerte de la Tierra y su atmósfera relativamente densa dificultan la implementación de una solución práctica. Además, la mayoría, si no todos, los sitios de lanzamiento plausibles impulsarían las naves espaciales a través de rutas aéreas muy transitadas. Debido a la enorme turbulencia que causarían dichos lanzamientos, se necesitarían importantes medidas de control del tráfico aéreo para garantizar la seguridad de las demás aeronaves que operan en la zona.

La mayoría de los diseños serios de impulsores de masa utilizan bobinas superconductoras para lograr una eficiencia energética razonable (a menudo del 50% al 90% o más, dependiendo del diseño). ^{[ 12 ]} El equipo puede incluir un cubo superconductor o una bobina de aluminio como carga útil. Las bobinas de un impulsor de masa pueden inducir corrientes parásitas en la bobina de aluminio de una carga útil y luego actuar sobre el campo magnético resultante . Hay dos secciones de un impulsor de masa. La parte de aceleración máxima espacia las bobinas a distancias constantes y sincroniza las corrientes de las bobinas con el cubo. En esta sección, la aceleración aumenta a medida que aumenta la velocidad, hasta el máximo que el cubo puede soportar. Después de eso, comienza la región de aceleración constante. Esta región espacia las bobinas a distancias crecientes para dar una cantidad fija de aumento de velocidad por unidad de tiempo.

Basándose en este modo, una propuesta importante para el uso de impulsores de masa implicaba transportar material de la superficie lunar a hábitats espaciales para su procesamiento utilizando energía solar . ^{[ 13 ]} El Instituto de Estudios Espaciales demostró que esta aplicación era razonablemente práctica.

En algunos diseños, la carga útil se colocaría en un contenedor que luego se liberaría, permitiendo así su desaceleración y reutilización. Un contenedor desechable, en cambio, proporcionaría aceleración a lo largo de toda la trayectoria. Alternativamente, si se construyera una trayectoria a lo largo de toda la circunferencia de la Luna (o de cualquier otro cuerpo celeste sin una atmósfera significativa), la aceleración de un contenedor reutilizable no estaría limitada por la longitud de la trayectoria ; sin embargo, dicho sistema debería diseñarse para soportar fuerzas centrífugas considerables si se pretendiera acelerar pasajeros o carga a velocidades muy elevadas. 

Una nave espacial podría llevar un propulsor de masa como motor principal. Con una fuente de energía eléctrica adecuada (probablemente un reactor nuclear ), la nave podría usar el propulsor de masa para acelerar partículas de casi cualquier tipo, impulsándose a sí misma en la dirección opuesta. A la escala más pequeña de masa de reacción, este tipo de propulsión se denomina propulsor iónico .

No se conoce ningún límite teórico absoluto para el tamaño, la aceleración o la energía cinética de los motores lineales. Sin embargo, existen limitaciones prácticas de ingeniería, como la relación potencia-masa, la disipación del calor residual y la energía que se puede suministrar y gestionar. La velocidad de escape ideal no debe ser ni demasiado baja ni demasiado alta. ^{[ 19 ]}

Existe una velocidad de escape óptima limitada y un impulso específico , dependientes de la misión, para cualquier propulsor restringido por una cantidad limitada de potencia a bordo de la nave espacial. El empuje y el momento del escape, por unidad de masa expulsada, aumentan linealmente con su velocidad ( momento = mv), mientras que la energía cinética y los requisitos de energía de entrada aumentan más rápidamente con la velocidad al cuadrado ( energía cinética = + 1/2 mv² ⁾ . Una velocidad de escape demasiado baja aumentaría excesivamente la masa de propulsor necesaria según la ecuación del cohete , con una fracción demasiado alta de energía destinada a acelerar el propulsor aún no utilizado. Una mayor velocidad de escape tiene ventajas y desventajas, ya que aumenta la eficiencia del uso del propulsor (más momento por unidad de masa de propulsor expulsado), pero disminuye el empuje y la tasa actual de aceleración de la nave espacial si la potencia de entrada disponible es constante (menor momento por unidad de energía suministrada al propulsor). ^{[ 19 ]}

Los métodos de propulsión eléctrica, como los impulsores de masa, son sistemas donde la energía no proviene del propulsor en sí. (Esto contrasta con los cohetes químicos, donde la eficiencia propulsora varía con la relación entre la velocidad de escape y la velocidad del vehículo en ese momento, pero un impulso específico cercano al máximo obtenible suele ser un objetivo de diseño cuando corresponde a la mayor cantidad de energía liberada por los propulsores reactivos). Si bien el impulso específico de un propulsor eléctrico podría llegar a alcanzar valores donde los impulsores de masa se fusionan con aceleradores de partículas con una velocidad de escape fraccionaria a la velocidad de la luz para partículas diminutas, intentar usar una velocidad de escape extrema para acelerar una nave espacial mucho más lenta podría resultar en un empuje subóptimo cuando la energía disponible del reactor o la fuente de energía de la nave es limitada (un análogo menor de alimentar con energía a bordo una fila de focos, siendo los fotones un ejemplo de una relación de momento a energía extremadamente baja). ^{[ 19 ]}

Por ejemplo, si la potencia a bordo limitada suministrada a su motor fuera la principal limitación de la cantidad de carga útil que podría transportar una hipotética nave espacial (como si el costo económico intrínseco del propulsor fuera mínimo debido al uso de suelo o hielo extraterrestre), la velocidad de escape ideal sería más bien alrededor del 62,75 % del delta v total de la misión si se opera a impulso específico constante, excepto que una mayor optimización podría provenir de variar la velocidad de escape durante el perfil de la misión (como es posible con algunos tipos de propulsores, incluidos los impulsores de masa y los cohetes magnetoplasma de impulso específico variable ). ^{[ 19 ]}

Dado que un propulsor de masa podría utilizar cualquier tipo de masa como masa de reacción para mover la nave espacial, un propulsor de masa o alguna variación de este parece ideal para vehículos espaciales de exploración profunda que obtienen masa de reacción de los recursos encontrados.

Una posible desventaja del propulsor de masa es que podría enviar masa de reacción sólida a velocidades relativas peligrosamente altas hacia órbitas útiles y vías de tráfico. Para superar este problema, la mayoría de los proyectos planean lanzar polvo finamente dividido. Como alternativa, se podría usar oxígeno líquido como masa de reacción, que al ser liberado se reduciría a su estado molecular. Impulsar la masa de reacción a la velocidad de escape solar es otra forma de asegurar que no represente un peligro.

Un impulsor de masa en una nave espacial podría utilizarse para "reflejar" masas provenientes de un impulsor de masa estacionario. Cada desaceleración y aceleración de la masa contribuye al momento de la nave espacial. La nave espacial, ligera y rápida, no necesita transportar masa de reacción y no requiere mucha electricidad más allá de la necesaria para compensar las pérdidas en la electrónica, mientras que la instalación de soporte inmóvil puede alimentarse con centrales eléctricas que, de ser necesario, podrían ser mucho más grandes que la propia nave espacial. Esto podría considerarse una forma de propulsión por haz (un análogo a escala macroscópica de una vela magnética propulsada por haz de partículas ). Un sistema similar también podría suministrar pastillas de combustible a una nave espacial para alimentar otro sistema de propulsión. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

Otro uso teórico de este concepto de propulsión se puede encontrar en las fuentes espaciales , un sistema en el que un flujo continuo de gránulos en una pista circular sostiene una estructura alta.

Los lanzadores de proyectiles electromagnéticos de alta aceleración de tamaño pequeño a moderado están siendo investigados activamente por la Armada de los EE. UU. ^{[ 24 ]} para su uso como armas terrestres o navales (generalmente cañones de riel , pero en algunos casos cañones de bobina ). A mayor escala que las armas actualmente próximas al despliegue, pero a veces sugeridas en proyecciones futuras a largo plazo, un motor lineal de velocidad suficientemente alta , un impulsor de masa, podría en teoría usarse como artillería intercontinental (o, si se construyera en la Luna o en órbita, usarse para atacar una ubicación en la superficie de la Tierra ). ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} Como el impulsor de masa estaría ubicado más arriba en el pozo gravitatorio que los objetivos teóricos, disfrutaría de un desequilibrio energético significativo en términos de contraataque.

Una de las primeras descripciones de ingeniería de un "cañón eléctrico" aparece en el suplemento técnico de la novela de ciencia ficción de 1937 "De cero a ochenta" de "Akkad Pseudoman" ^{[ 28 ]} , seudónimo del físico de Princeton y empresario eléctrico Edwin Fitch Northrup . El Dr. Northrup construyó prototipos de cañones de bobina alimentados por generadores eléctricos trifásicos de frecuencia kHz, y el libro contiene fotografías de algunos de estos prototipos. El libro describe una circunnavegación ficticia de la luna en un vehículo para dos personas lanzado por un cañón eléctrico de Northrup.

Desde 1976 se han construido prototipos de cañones de masa ( Mass Driver 1 ), algunos de ellos por el Instituto de Estudios Espaciales de EE. UU. para demostrar sus propiedades y viabilidad. La investigación y el desarrollo militar de cañones de bobina están relacionados, al igual que los trenes de levitación magnética .

SpinLaunch , una empresa fundada en 2014, realizó la prueba inicial de su acelerador de pruebas en octubre de 2021. ^{[ 29 ]}

• Cañón de bobina : Artillería que utiliza bobinas para propulsar un proyectil electromagnéticamente. 
• Sistema electromagnético de lanzamiento de aeronaves : sistema de lanzamiento de aeronaves desarrollado para la Armada de los Estados Unidos. 
• Catapulta electromagnética – Sistema de lanzamiento de aeronaves 
• Cañón de riel helicoidal : cañón de riel multivuelta que reduce la corriente en un factor igual al número de vueltas. 
• Bucle de lanzamiento : sistema propuesto para lanzar objetos a órbita. 
• Pistola de gas ligero
• cañón de riel de plasma
• Cañón de riel : lanzador de proyectiles electromagnéticos 
• Acelerador de ariete : lanzador de proyectiles que utiliza la combustión supersónica de combustible y aire fuera de un motor. 
• Fuente espacial : torre extremadamente alta diseñada para lanzar naves espaciales mediante proyectiles en tubos de vacío. 
• propulsión de naves espaciales

• Armas electromagnéticas archivadas el 16 de mayo de 2008 en Wayback Machine : una página que describe la investigación sobre motores lineales en el MIT.
• Lanzamiento electromagnético de material lunar
• Shiga, David (3 de octubre de 2006). "Enorme 'anillo de lanzamiento' para poner satélites en órbita" . New Scientist .