Cohete fotónico nuclear

En un cohete fotónico nuclear tradicional , un reactor nuclear a bordo generaría temperaturas tan elevadas que la radiación de cuerpo negro del reactor proporcionaría un empuje significativo. La desventaja es que se requiere mucha energía para generar un empuje mínimo de esta manera, por lo que la aceleración es muy baja. Los radiadores de fotones probablemente se construirían con grafito o tungsteno . Los cohetes fotónicos son tecnológicamente factibles, pero resultan poco prácticos con la tecnología actual basada en una fuente de energía nuclear a bordo.

La potencia por empuje requerida para un haz de salida perfectamente colimado es de 300 MW / N (la mitad si se puede reflejar en la nave); se requerirían fuentes de energía de muy alta densidad para proporcionar un empuje razonable sin un peso excesivo. El impulso específico de un cohete fotónico es más difícil de definir, ya que la salida no tiene masa (en reposo) y no es combustible consumido; si tomamos el momento por inercia de los fotones, el impulso específico es simplemente c , lo cual es impresionante. Sin embargo, considerando la masa de la fuente de los fotones, por ejemplo, átomos que experimentan fisión nuclear , el impulso específico se reduce a 300  km/s ( c /1000) o menos; considerando la infraestructura para un reactor (parte de la cual también escala con la cantidad de combustible) reduce aún más el valor. Finalmente, cualquier pérdida de energía que no sea por radiación que se redirige precisamente hacia atrás, sino que se conduce a través de los soportes del motor, se irradia en alguna otra dirección o se pierde a través de neutrinos , etc., degradará aún más la eficiencia. Si consideramos que el 80% de la masa del cohete fotónico es combustible fisionable, y teniendo en cuenta que la fisión nuclear convierte aproximadamente el 0,10% de la masa en energía: entonces, si el cohete fotónico tiene una masa de 300 000  kg, 240 000  kg de esa masa son combustible atómico. Por lo tanto, la fisión de todo el combustible resultará en la pérdida de solo 240  kg de masa. Entonces, 300 000/299 760  kg = un m _i / m _f de 1,0008. Usando la ecuación del cohete , encontramos v _f = ln 1,0008 × c donde c = 299 792 458  m/s. Entonces, v _f puede ser 239 930  m/s, que es aproximadamente 240  km/s. El cohete de fotones propulsado por fisión nuclear podría acelerar hasta un máximo de quizás 1/10 000  m/s² (0,1  mm/s²), lo que equivale a 10⁻⁵ ^g . El cambio de velocidad sería de 3000  m/s por año de empuje del cohete de fotones.

Si un cohete de fotones inicia su viaje en órbita terrestre baja , podría requerir un año de propulsión para alcanzar una velocidad de escape terrestre de 11,2  km/s si el vehículo ya se encuentra en órbita a una velocidad de 9100  m/s. Al escapar del campo gravitatorio terrestre, el cohete tendrá una velocidad heliocéntrica de 30  km/s en el espacio interplanetario. En este caso hipotético, se requerirían ochenta años de propulsión fotónica constante para obtener una velocidad final de 240  km/s.

Es posible obtener un impulso específico aún mayor; el de algunos otros dispositivos de propulsión fotónica (por ejemplo, velas solares ) es prácticamente infinito porque no se requiere combustible transportado. Alternativamente, dispositivos como los propulsores iónicos , si bien tienen un impulso específico notablemente menor, proporcionan una relación empuje-potencia mucho mejor; para los fotones, esa relación es${\displaystyle 1/c}$, mientras que para partículas lentas (es decir, no relativistas; incluso la salida de los propulsores iónicos típicos cuenta) la relación es${\displaystyle 2/v}$, que es mucho más grande (ya que${\displaystyle v\ll c}$(En cierto modo, esta comparación es injusta, ya que los fotones deben crearse y otras partículas simplemente se aceleran , pero, no obstante, los impulsos por masa transportada y por energía aplicada —las cantidades prácticas— son los dados). Por lo tanto, el cohete fotónico resulta ineficiente cuando la potencia, y no la masa, es un factor crucial, o cuando se puede ahorrar suficiente masa mediante el uso de una fuente de energía más débil, de modo que la masa de reacción pueda incluirse sin penalización.

Un láser podría usarse como motor de cohete de fotones y resolvería el problema de reflexión/colimación, pero los láseres son absolutamente menos eficientes en la conversión de energía en luz que la radiación de cuerpo negro, aunque también se deben considerar los beneficios de los láseres frente a la fuente de cuerpo negro, incluyendo el haz controlable unidireccional y la masa y durabilidad de la fuente de radiación. Las limitaciones que plantea la ecuación del cohete pueden superarse, siempre que la masa de reacción no sea transportada por la nave espacial. En el concepto de Propulsión Láser Dirigida (BLP), los fotones se dirigen desde la fuente de fotones a la nave espacial como luz coherente. Robert L. Forward fue pionero en conceptos de propulsión interestelar, incluyendo la propulsión de fotones y la propulsión de cohetes de antimateria . Sin embargo, la BLP está limitada debido a la eficiencia extremadamente baja de generación de empuje de la reflexión de fotones. Una de las mejores maneras de superar la ineficiencia inherente en la producción de empuje del propulsor de fotones es amplificar la transferencia de momento de los fotones reciclándolos entre dos espejos de alta reflectancia.

Los diseños actuales o a corto plazo de reactores de fisión viables pueden generar hasta 2,2  kW por kilogramo de masa del reactor. Sin carga útil, un reactor de este tipo podría impulsar un cohete de fotones a casi 10⁻⁵ ^m /s² (10⁻⁶ ^g ; véase fuerza g ). Esto podría proporcionar capacidad para vuelos espaciales interplanetarios desde la órbita terrestre. También podrían utilizarse reactores de fusión nuclear , que quizás proporcionarían una potencia algo mayor.

Un diseño propuesto en la década de 1950 por Eugen Sänger utilizaba la aniquilación positrón - electrón para producir rayos gamma . Sänger no pudo resolver el problema de cómo reflejar y colimar los rayos gamma creados por la aniquilación positrón-electrón; sin embargo, al blindar las reacciones (u otras aniquilaciones ) y absorber su energía, se podría crear un sistema de propulsión de cuerpo negro similar. Un cohete de fotones impulsado por antimateria -materia obtendría (sin considerar el blindaje) el impulso específico c máximo ; por esta razón, un cohete de fotones impulsado por aniquilación antimateria-materia podría utilizarse potencialmente para vuelos espaciales interestelares . ^{[ 1 ]}

En teoría, otros diseños, como las naves espaciales que utilizan un microagujero negro de Kugelblitz, también podrían emplearse para viajes interestelares dada la eficiencia de los agujeros negros para convertir materia en energía.

• cohete fotónico
• propulsión de naves espaciales
• Cohete radioisótopo

• Aplicación de motores de fotones nucleares para la exploración del espacio profundo por Andrey V. Gulevich, Eugeny A. Ivanov, Oleg F. Kukharchuk, Victor Ya. Poupko y Anatoly V. Zrodnikov. AIP Conference Proceedings
• "Misiones de encuentro interestelar que emplean sistemas de propulsión por fisión", Lenard, RX y Lipinski, RJ, en Actas del Foro Internacional de Aplicaciones de Tecnología Espacial , 2000
• Sobre la conversión de radiación infrarroja de un motor fotónico basado en un reactor de fisión en un haz paralelo , Gulevich, AV; Levchenko, VE; Loginov, NI; Kukharchuk, OF; Evtodiev, DA; Zrodnikov, AV, en Actas del Foro Internacional de Aplicaciones de Tecnología Espacial , 2002
• Reactor espacial de larga duración para propulsión fotónica , Sawada, T.; Endo, H.; Netchaev, A., en Actas del Foro Internacional de Aplicaciones de Tecnología Espacial , 2002