Conceptoseditar
todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación del cohete, que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masa, la relación de la masa inicial (M0, incluido el combustible) a la masa final (M1, agotado el combustible).
Se requiere una potencia específica muy alta, la relación de empuje con la masa total del vehículo, para alcanzar objetivos interestelares dentro de marcos temporales de menos de un siglo. Algo de transferencia de calor es inevitable y una tremenda carga de calentamiento debe manejarse adecuadamente.,
Por lo tanto, para los conceptos de cohetes interestelares de todas las tecnologías, un problema clave de ingeniería (rara vez se discute explícitamente) es limitar la transferencia de calor desde el flujo de escape hacia el vehículo.
motor de Ioneditar
un tipo de propulsión eléctrica, las naves espaciales como Dawn utilizan un motor de iones. En un motor de iones, la energía eléctrica se utiliza para crear partículas cargadas del propulsor, generalmente el gas xenón, y acelerarlas a velocidades extremadamente altas., La velocidad de escape de los cohetes convencionales está limitada por la energía química almacenada en los enlaces moleculares del combustible, lo que limita el empuje a unos 5 km/s. producen un empuje alto (unos 10 N N), pero tienen un impulso específico bajo, y eso limita su velocidad máxima. Por el contrario, los motores de iones tienen una fuerza baja, pero la velocidad máxima en principio está limitada solo por la energía eléctrica disponible en la nave espacial y en los iones de gas que se aceleran. La velocidad de escape de las partículas cargadas oscila entre 15 km/s y 35 km/s.,
potencia de fisión Nucleareditar
fisión eléctricaeditar
Los motores nucleares eléctricos o de plasma, que funcionan durante largos períodos a bajo empuje y funcionan con reactores de fisión, tienen el potencial de alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos de propulsión química o los cohetes nucleares térmicos. Tales vehículos probablemente tienen el potencial de impulsar la exploración del sistema solar con tiempos de viaje razonables dentro del siglo actual. Debido a su propulsión de bajo empuje, se limitarían a operaciones fuera del planeta, en el espacio profundo., La propulsión eléctrica de una nave espacial alimentada por una fuente de energía portátil, digamos un reactor nuclear, que produce solo pequeñas aceleraciones, tardaría siglos en alcanzar, por ejemplo, el 15% de la velocidad de la luz, por lo que no es adecuada para el vuelo interestelar durante una sola vida humana.
fisión-fragmenteditar
los cohetes de fragmentos de fisión utilizan la fisión nuclear para crear chorros de alta velocidad de fragmentos de fisión, que son expulsados a velocidades de hasta 12.000 km/s (7.500 mi/s). Con la fisión, la salida de energía es aproximadamente 0.,1% de la masa-energía total del combustible del reactor y limita la velocidad efectiva de escape a aproximadamente el 5% de la velocidad de la luz. Para la velocidad máxima, la masa de reacción debe consistir óptimamente en productos de fisión, la «ceniza» de la fuente de energía primaria, por lo que no es necesario reservar masa de reacción adicional en la relación de masa.
pulseEdit Nuclear
concepto moderno de propulsión de fisión pulsada.,
basado en el trabajo de finales de la década de 1950 a principios de la década de 1960, ha sido técnicamente posible construir naves espaciales con motores de propulsión de pulso nuclear, es decir, impulsadas por una serie de explosiones nucleares. Este sistema de propulsión contiene la perspectiva de un impulso específico muy alto (equivalente al ahorro de combustible de los viajes espaciales) y una alta potencia específica.
Freeman Dyson, miembro del equipo del proyecto Orión, propuso en 1968 una nave espacial interestelar que usara propulsión de pulso nuclear que usara detonaciones de fusión de deuterio puro con una fracción de consumo de combustible muy alta., Calculó una velocidad de escape de 15.000 km/s y un vehículo espacial de 100.000 toneladas capaz de alcanzar un delta-v de 20.000 km / s permitiendo un tiempo de vuelo a Alpha Centauri de 130 años. Estudios posteriores indican que la velocidad máxima de crucero que teóricamente puede ser alcanzada por una nave Orión alimentada por una unidad termonuclear Teller-Ulam, asumiendo que no se ahorra combustible para desacelerar, es aproximadamente del 8% al 10% de la velocidad de la luz (0.08-0.1 c). Un Orión atómico (fisión) puede alcanzar quizás el 3% -5% de la velocidad de la luz., Una nave nuclear propulsada por unidades de propulsión de impulsos nucleares catalizadas por fusión y antimateria estaría igualmente en el rango del 10% y los cohetes de aniquilación de materia pura y antimateria serían teóricamente capaces de obtener una velocidad entre el 50% y el 80% de la velocidad de la luz. En cada caso, el ahorro de combustible para ralentizar reduce a la mitad la velocidad máxima. El concepto de usar una vela magnética para desacelerar la nave espacial a medida que se acerca a su destino se ha discutido como una alternativa al uso de propulsor, esto permitiría que la nave viaje cerca de la velocidad teórica máxima., Los diseños alternativos que utilizan principios similares incluyen Project Longshot, Project Daedalus y Mini-Mag Orion. El principio de la propulsión de impulsos nucleares externos para maximizar la potencia de supervivencia ha seguido siendo común entre los conceptos serios para el vuelo interestelar sin transmisión de energía externa y para el vuelo interplanetario de muy alto rendimiento.,
en la década de 1970, el concepto de propulsión de pulso Nuclear fue refinado por el proyecto Daedalus mediante el uso de la fusión de confinamiento inercial disparada externamente, en este caso produciendo explosiones de fusión a través de la compresión de pellets de combustible de fusión con haces de electrones de alta potencia. Desde entonces, se ha sugerido que los láseres, los haces de iones, los haces de partículas neutras y los proyectiles hipercinéticos producen pulsos nucleares con fines de propulsión.,
un impedimento actual para el desarrollo de cualquier nave espacial propulsada por explosiones nucleares es el Tratado de prohibición parcial de los ensayos de 1963, que incluye la prohibición de la detonación de cualquier dispositivo nuclear (incluso no basado en armas) en el espacio ultraterrestre. Por consiguiente, habría que renegociar ese tratado, aunque un proyecto a la escala de una misión interestelar que utilizara tecnología actualmente previsible requeriría probablemente una cooperación internacional al menos a la escala de la Estación Espacial Internacional.,
otro tema a ser considerado, serían las fuerzas g impartidas a una nave espacial rápidamente acelerada, carga y pasajeros dentro (Ver negación de inercia).
cohetes de fusión Nucleareditar
los cohetes de fusión, propulsados por reacciones de fusión nuclear, podrían alcanzar velocidades del orden del 10% de la de la luz, basándose únicamente en consideraciones energéticas. En teoría, un gran número de etapas podría empujar un vehículo arbitrariamente cerca de la velocidad de la luz. Estos» quemarían » combustibles de elementos ligeros como deuterio, tritio, 3He, 11B y 7Li. porque la fusión produce alrededor de 0.,3-0. 9% de la masa del combustible nuclear como energía liberada, es energéticamente más favorable que la fisión, que libera <0.1% de la masa-energía del combustible. Las velocidades máximas de escape potencialmente disponibles energéticamente son correspondientemente más altas que para la fisión, típicamente 4-10% de C. Sin embargo, las reacciones de fusión más fácilmente alcanzables liberan una gran fracción de su energía como neutrones de alta energía, que son una fuente significativa de pérdida de energía., Por lo tanto, aunque estos conceptos parecen ofrecer las mejores perspectivas (a corto plazo) para viajar a las estrellas más cercanas dentro de una (larga) vida humana, todavía implican enormes dificultades tecnológicas y de ingeniería, que pueden resultar intratables durante décadas o siglos.
Daedalus interestelar de la sonda.
Los primeros estudios incluyen el proyecto Daedalus, realizado por la sociedad interplanetaria británica en 1973-1978, y el proyecto Longshot, un proyecto estudiantil patrocinado por la NASA y la Academia Naval de los Estados Unidos, completado en 1988., Otro sistema de vehículo bastante detallado, «Discovery II», diseñado y optimizado para la exploración del Sistema Solar tripulado, basado en la reacción D3He pero usando hidrógeno como masa de reacción, ha sido descrito por un equipo del Centro de investigación Glenn de la NASA. Alcanza velocidades características de > 300 km / s con una aceleración de ~1.7•10-3 g, con una masa inicial del buque de ~1700 toneladas métricas y una fracción de carga útil superior al 10%., Aunque estos todavía están muy lejos de los requisitos para los viajes interestelares en escalas de tiempo humanas, el estudio parece representar un punto de referencia razonable hacia lo que puede ser accesible dentro de varias décadas, lo que no es imposible más allá del estado actual de la técnica. Basado en el concepto de 2,2% de quemado de fracción se podría lograr un puro producto de fusión de escape de la velocidad de ~3.000 km/s.
Antimateria rocketsEdit
Un cohete de antimateria tendría una densidad de energía mucho mayor e impulso específico que cualquier otra clase propuesta de cohete. Si se encuentran recursos energéticos y métodos de producción eficientes para producir antimateria en las cantidades requeridas y almacenarla de manera segura, teóricamente sería posible alcanzar velocidades de varias decenas de por ciento de la de la luz., Si la propulsión de antimateria podría conducir a velocidades más altas (>90% la de la luz) en las que la dilatación del tiempo relativista se haría más notable, haciendo que el tiempo pase a un ritmo más lento para los viajeros según lo percibido por un observador externo, es dudoso debido a la gran cantidad de antimateria que se requeriría.
especulando que la producción y el almacenamiento de antimateria deberían ser factibles, es necesario considerar otras dos cuestiones., Primero, en la aniquilación de antimateria, gran parte de la energía se pierde como radiación gamma de alta energía, y especialmente también como neutrinos, de modo que solo alrededor del 40% de mc2 estaría realmente disponible si la antimateria simplemente se permitiera aniquilar en radiaciones térmicamente. Aun así, la energía disponible para la propulsión sería sustancialmente mayor que el ~1% del rendimiento mc2 de la fusión nuclear, el siguiente mejor candidato rival.
en segundo lugar, la transferencia de calor desde el escape al vehículo parece probable que transfiera una enorme energía desperdiciada a la nave (por ejemplo, para 0.1 g de aceleración de la nave, acercándose a 0.,3 billones de vatios por tonelada de masa de la nave), teniendo en cuenta la gran fracción de la energía que entra en los rayos gamma penetrantes. Incluso suponiendo que se proporcionara blindaje para proteger la carga útil (y a los pasajeros en un vehículo tripulado), parte de la energía inevitablemente calentaría el vehículo, y por lo tanto podría ser un factor limitante si se quieren lograr aceleraciones útiles.,
Más recientemente, Friedwardt Winterberg propuso que un cohete de fotones láser de Rayos gamma GEV de materia-Antimateria es posible mediante una descarga relativista de pellizco protón-antiprotón, donde el retroceso del rayo láser es transmitido por el efecto Mössbauer a la nave espacial.
cohetes con una fuente de energía externaeditar
los cohetes que derivan su energía de fuentes externas, como un láser, podrían reemplazar su fuente de energía interna con un colector de energía, reduciendo potencialmente la masa de la nave en gran medida y permitiendo velocidades de viaje mucho más altas. Geoffrey A., Landis ha propuesto una sonda interestelar, con energía suministrada por un láser externo de una estación base alimentando un impulsor iónico.
conceptos que no son de cohetes.
un problema con todos los métodos tradicionales de propulsión de cohetes es que la nave espacial necesitaría llevar su combustible con ella, lo que la hace muy masiva, de acuerdo con la ecuación del cohete. Varios conceptos intentan escapar de este problema:
propulsor de cavidad resonante RFEDITAR
un propulsor de cavidad resonante de radiofrecuencia (RF) es un dispositivo que se afirma que es un propulsor de nave espacial., En 2016, el laboratorio de Física de propulsión avanzada de la NASA informó de la observación de un pequeño empuje aparente de una de esas pruebas, un resultado no replicado desde entonces. Uno de los diseños se llama EMDrive. En diciembre de 2002, Satellite Propulsion Research Ltd describió un prototipo funcional con un supuesto empuje total de aproximadamente 0,02 newtons propulsado por un magnetrón de cavidad de 850 W. El dispositivo podía funcionar durante solo unas pocas docenas de segundos antes de que el magnetrón fallara, debido al sobrecalentamiento. La última prueba en el EMDrive concluyó que no funciona.,
motor Helicoidaleditar
propuesto en 2019 por el científico de la NASA Dr. David Burns, el concepto de motor helicoidal usaría un acelerador de partículas para acelerar las partículas hasta acercarse a la velocidad de la luz. Dado que las partículas que viajan a tales velocidades adquieren más masa, se cree que este cambio de masa podría crear aceleración. Según Burns, la nave espacial podría alcanzar teóricamente el 99% de la velocidad de la luz.
Ramjetsinterstellareditar
en 1960, Robert W., Bussard propuso el ramjet Bussard, un cohete de fusión en el que una enorme cuchara recogería el hidrógeno difuso en el espacio interestelar, lo «quemaría» sobre la marcha utilizando una reacción en cadena protón–protón, y lo expulsaría de la parte posterior. Cálculos posteriores con estimaciones más precisas sugieren que el empuje generado sería menor que el arrastre causado por cualquier diseño de cuchara concebible. Sin embargo, la idea es atractiva porque el combustible se recogería en el camino (acorde con el concepto de recolección de energía), por lo que la nave podría teóricamente acelerar hasta cerca de la velocidad de la luz., La limitación se debe al hecho de que la reacción solo puede acelerar el propulsor a 0.12 C. Por lo tanto, el arrastre de la captura de polvo interestelar y el empuje de acelerar ese mismo polvo a 0.12 c sería el mismo cuando la velocidad es 0.12 c, evitando una mayor aceleración.
propulsion Beamededit
este diagrama ilustra el esquema de Robert L. Forward para ralentizar una vela ligera interestelar en el destino del sistema estelar.,
Una Vela ligera o una vela magnética propulsada por un láser masivo o un acelerador de partículas en el sistema home star podría potencialmente alcanzar velocidades aún mayores que los métodos de propulsión de cohetes o pulsos, porque no necesitaría llevar su propia masa de reacción y, por lo tanto, solo necesitaría acelerar la carga útil de la nave. Robert L. Forward propuso un medio para desacelerar una vela de luz interestelar de 30 kilómetros en el sistema estelar de destino sin requerir una matriz láser para estar presente en ese sistema., En este esquema, una vela secundaria de 100 kilómetros se despliega en la parte trasera de la nave espacial, mientras que la gran vela primaria se separa de la nave para seguir avanzando por su cuenta. La luz se refleja desde la gran vela primaria a la vela secundaria, que se utiliza para desacelerar la vela secundaria y la carga útil de la nave espacial. En 2002, Geoffrey A. Landis del Centro de investigación Glen de la NASA también propuso un velero propulsado por láser que albergaría una vela diamante (de unos pocos nanómetros de espesor) alimentada con el uso de energía solar., Con esta propuesta, esta nave interestelar sería, teóricamente, capaz de alcanzar el 10 por ciento de la velocidad de la luz. También se ha propuesto utilizar propulsión con vigas para acelerar una nave espacial, y propulsión electromagnética para desacelerarla; por lo tanto, eliminando el problema que el ramjet Bussard tiene con la resistencia producida durante la aceleración.,
una vela magnética también podría desacelerar en su destino sin depender del combustible transportado o un haz de carretera en el sistema de destino, al interactuar con el plasma encontrado en el viento solar de la estrella de destino y el medio interestelar.
la siguiente tabla enumera algunos conceptos de ejemplo utilizando la propulsión láser con vigas como propuso el físico Robert L. Forward:
catálogo de viajes interestelares para usar ayudas de fotograbación para un punto completoeditar
la siguiente tabla se basa en el trabajo de Heller, Hippke y Kervella.,
- las asistencias sucesivas en α Cen a y B podrían permitir tiempos de viaje a 75 años a ambas estrellas.
- Lightsail tiene una relación masa-superficie nominal (σnom) de 8,6×10-4 gramos m−2 para una vela nominal de clase grafeno.
- Área de la vela ligera, alrededor de 105 m2 = (316 m)2
- Velocidad de hasta 37.300 km s−1 (12,5% c)
combustible Preaceleradoeditar
lograr tiempos de viaje interestelar de arranque y parada de menos de una vida humana requiere relaciones de masa de entre 1.000 y 1.000.000, incluso para las estrellas más cercanas. Esto podría lograrse con vehículos de varias etapas a gran escala., Alternativamente, los aceleradores lineales grandes podrían propulsar combustible a vehículos espaciales propulsados por fisión, evitando las limitaciones de la ecuación del cohete.
Conceptoseditar
viaje más rápido que la luzeditar
descripción artística de una hipotética nave espacial propulsada por inducción de agujero de gusano, basada libremente en el artículo de 1994 «warp drive» de Miguel Alcubierre.,
Los científicos y autores han postulado una serie de formas por las cuales podría ser posible superar la velocidad de la luz, pero incluso los más serios de estos son altamente especulativos.
también es discutible si el viaje más rápido que la luz es físicamente posible, en parte debido a preocupaciones de causalidad: viajar más rápido que la luz puede, bajo ciertas condiciones, permitir viajar hacia atrás en el tiempo dentro del contexto de la relatividad especial., Los mecanismos propuestos para viajar más rápido que la luz dentro de la teoría de la relatividad general requieren la existencia de materia exótica y no se sabe si esto podría ser producido en cantidad suficiente.,
Alcubierre driveEdit
en física, el Alcubierre drive se basa en un argumento, dentro del marco de la relatividad general y sin la introducción de agujeros de gusano, que es posible modificar el espacio-tiempo de una manera que permite a una nave espacial viajar con una velocidad arbitrariamente grande por una expansión local del espacio-tiempo detrás de la nave espacial y una contracción opuesta frente a ella. Sin embargo, este concepto requeriría que la nave espacial incorporara una región de materia exótica, o concepto hipotético de masa negativa.,
agujero negro Artificialeditar
una idea teórica para permitir el viaje interestelar es propulsar una nave mediante la creación de un agujero negro artificial y el uso de un reflector parabólico para reflejar su radiación Hawking. Aunque más allá de las capacidades tecnológicas actuales, una nave estelar de agujero negro ofrece algunas ventajas en comparación con otros métodos posibles. Conseguir que el agujero negro actúe como fuente de energía y motor también requiere una forma de convertir la radiación de Hawking en energía y empuje., Un método potencial consiste en colocar el agujero en el punto focal de un reflector parabólico unido a la nave, creando empuje hacia adelante. Un método un poco más fácil, pero menos eficiente implicaría simplemente absorber toda la radiación gamma que se dirige hacia la parte delantera de la nave para empujarla hacia adelante, y dejar que el resto dispare por la parte posterior.los agujeros de gusano son distorsiones conjeturales en el espacio-tiempo que los teóricos postulan que podrían conectar dos puntos arbitrarios en el universo, a través de un puente Einstein–Rosen. No se sabe si los agujeros de gusano son posibles en la práctica., Aunque hay soluciones a la ecuación de Einstein de la relatividad general que permiten agujeros de gusano, todas las soluciones actualmente conocidas implican alguna suposición, por ejemplo, la existencia de masa negativa, que puede ser no física. Sin embargo, Cramer et al. argumentan que tales agujeros de gusano podrían haber sido creados en el universo temprano, estabilizados por cuerdas cósmicas. La teoría general de los agujeros de gusano es discutida por Visser en el libro Lorentzian Wormholes.