Cohete fotónico nuclear

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

Requerimientos de energía y comparaciones

La potencia por empuje necesaria para un haz de salida perfectamente colimado es de 300 MW/N (la mitad si puede reflejarse en la nave); Se requerirían fuentes de energía de muy alta densidad de energía para proporcionar un empuje razonable sin un peso irrazonable. 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 gastado; si tomamos el impulso por inercia de los fotones, el impulso específico es solo c, lo cual es impresionante. Sin embargo, si se tiene en cuenta la masa de la fuente de los fotones, por ejemplo, los átomos que se someten a la fisión nuclear, el impulso específico se reduce a 300 km/s (c/1000) o menos; teniendo en cuenta la infraestructura de un reactor (algunos de los cuales también escalan con la cantidad de combustible) reduce aún más el valor. Finalmente, cualquier pérdida de energía que no sea a través de la radiación que se redirige precisamente hacia la popa, sino que es conducida por los soportes del motor, irradiada en alguna otra dirección o perdida a través de neutrinos, degradará aún más la eficiencia. Si tuviéramos que establecer que el 80 % de la masa del cohete de fotones = combustible fisionable, y reconociendo que la fisión nuclear convierte aproximadamente el 0,10 % de la masa en energía: entonces, si el cohete de fotones tiene una masa de 300 000 kg, entonces 240 000 kg son combustible atómico. Por lo tanto, la fisión de todo el combustible dará como resultado 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. v_f entonces puede ser 239 930 m/s, que es aproximadamente 240 km/s. El cohete de fotones propulsado por fisión nuclear puede acelerar a un máximo de quizás 1/10 000 m/s² (0,1 mm/s²), que es 10⁻⁵g. El cambio de velocidad sería a razón de 3000 m/s por año de empuje del cohete de fotones.

Si un cohete de fotones comienza su viaje en una órbita terrestre baja, es posible que se requiera un año de empuje para lograr una velocidad de escape de la Tierra de 11,2 km/s si el vehículo ya está en órbita a una velocidad de 9100 m/s. Al escapar del campo gravitatorio de la Tierra, el cohete tendrá una velocidad heliocéntrica de 30 km/s en el espacio interplanetario. Se necesitarían entonces ochenta años de empuje fotónico constante para obtener una velocidad final de 240 km/s en este caso hipotético.

Es posible obtener un impulso específico aún más alto; el de algunos otros dispositivos de propulsión fotonica (por ejemplo, velas solares) es efectivamente infinito porque no se requiere combustible transportado. Alternativamente, dispositivos como propulsores de iones, mientras que tienen un impulso específico notablemente inferior, dan una proporción mucho mejor de empuje a potencia; para fotones, esa proporción es 1/c{displaystyle 1/c}, mientras que para partículas lentas (es decir, no relativista; incluso la salida de los propulsores de iones típicos cuenta) la relación es 2/v{displaystyle 2/v}, que es mucho más grande (desde v≪ ≪ c{displaystyle vll c}). (Esto es en cierto sentido una comparación injusta, ya que los fotones deben ser creado y otras partículas son meramente acelerado, pero sin embargo, los impulsos por masa transportada y por energía aplicada, las cantidades prácticas, son dados.) El cohete fotonico es así desperdicio cuando el poder y no la masa está en una prima, o cuando la masa suficiente se puede salvar mediante el uso de una fuente de energía más débil que la masa de reacción puede ser incluida sin penalización.

Un láser podría usarse como un motor de cohete de fotones y resolvería el problema de reflexión/colimación, pero los láseres son absolutamente menos eficientes para convertir la energía en luz que la radiación de cuerpo negro, aunque también se deben tener en cuenta los beneficios de los láseres frente a los de cuerpo negro. fuente, incluido el haz controlable unidireccional y la masa y durabilidad de la fuente de radiación. Las limitaciones planteadas por la ecuación del cohete pueden superarse, siempre que la masa de reacción no sea transportada por la nave espacial. En el concepto de Beamed Laser Propulsion (BLP), los fotones se emiten desde la fuente de fotones a la nave espacial como luz coherente. Robert L. Forward fue pionero en conceptos de propulsión interestelar, incluida la propulsión de fotones y la propulsión de cohetes de antimateria. Sin embargo, BLP está limitado debido a la eficiencia de generación de empuje extremadamente baja de la reflexión de fotones. Una de las mejores maneras de superar la ineficiencia inherente en la producción de empuje del propulsor de fotones amplificando la transferencia de momento de los fotones mediante el reciclaje de fotones entre dos espejos de alta reflectancia.

Fuentes de energía

Los diseños de reactores de fisión viables actuales o a corto plazo pueden generar hasta 2,2 kW por kilogramo de masa del reactor. Sin ninguna carga útil, un reactor de este tipo podría impulsar un cohete de fotones a casi 10⁻⁵ m/s² (10⁻⁶g; ver g- fuerza). Esto quizás podría proporcionar capacidad de vuelo espacial interplanetario desde la órbita terrestre. También se podrían utilizar reactores de fusión nuclear, quizás proporcionando una potencia algo mayor.

Un diseño propuesto en la década de 1950 por Eugen Sänger utilizó la aniquilación de positrones y electrones para producir rayos gamma. Sänger no pudo resolver el problema de cómo reflejar y colimar los rayos gamma creados por la aniquilación de positrones y electrones; sin embargo, al proteger las reacciones (u otras aniquilaciones) y absorber su energía, se podría crear un sistema de propulsión de cuerpo negro similar. Un cohete de fotones propulsado por antimateria obtendría (sin tener en cuenta el blindaje) el impulso específico máximo de c; por esta razón, un cohete de fotones impulsado por la aniquilación de materia-materia podría usarse potencialmente para vuelos espaciales interestelares.

Teóricamente, otros diseños, como naves espaciales que usan un microagujero negro Kugelblitz, también podrían usarse para viajes interestelares dada la eficiencia de los agujeros negros para convertir la materia en energía.