Conductor de masa

Concepción del artista de un conductor de masas en la Luna

Un controlador 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 controladores de masa existentes y contemplados utilizan bobinas de alambre energizadas por electricidad para fabricar electroimanes, aunque también se ha propuesto un controlador de masa giratorio. El disparo secuencial de una fila de electroimanes acelera la carga útil a lo largo de un camino. Después de dejar el camino, la carga útil continúa moviéndose debido al impulso.

Aunque cualquier dispositivo utilizado para propulsar una carga útil balística es técnicamente un impulsor de masa, en este contexto, un impulsor de masa es esencialmente un cañón de bobina que acelera magnéticamente un paquete que consta de un soporte magnetizable que contiene una carga útil. Una vez que se ha acelerado la carga útil, los dos se separan y el soporte se ralentiza y se recicla para otra carga útil.

Los impulsores de masa se pueden usar para propulsar naves espaciales de tres maneras diferentes: Se puede usar un impulsor de masa grande con base en tierra para lanzar naves espaciales lejos de la Tierra, la Luna u otro cuerpo. Un pequeño conductor de masa podría estar a bordo de una nave espacial, arrojando piezas de material al espacio para impulsarse. Otra variación tendría una instalación masiva en una luna o un asteroide que enviaría proyectiles para ayudar a una nave distante.

Los impulsores de masa en miniatura también se pueden usar como armas de manera similar a las armas de fuego clásicas o los cañones que usan combustión química. También son posibles los híbridos entre cañones de bobina y cañones de riel, como los cañones de riel helicoidales.

Controladores de masa fija

Los controladores de masa no necesitan contacto físico entre las partes móviles porque guían sus proyectiles por levitación magnética dinámica, lo que permite una reutilización extrema en el caso de la conmutación de energía de estado sólido y una vida funcional de, teóricamente, hasta millones de lanzamientos. Si bien los costos marginales tienden a ser bajos en consecuencia, 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 impulsor masivo en 1976-1977 con un presupuesto de $ 2000, un modelo de prueba corto que dispara un proyectil a 40 m/s y 33 g, su siguiente modelo tenía un orden de magnitud de mayor aceleración después de un aumento comparable en la financiación y, unos años más tarde, los investigadores de la Universidad de Texas estimaron que un impulsor masivo que disparara un proyectil de 10 kilogramos a 6000 m/s costaría 47 millones de dólares.

Para una cantidad dada de energía involucrada, los objetos más pesados van proporcionalmente más lentos. Los objetos ligeros pueden proyectarse a 20 km/s o más. Los límites son generalmente el gasto del almacenamiento de energía que puede descargarse lo suficientemente rápido y el costo de la conmutación de energía, que puede ser por semiconductores o por interruptores de fase gaseosa (que todavía tienen un nicho en aplicaciones de energía de pulso extremas). Sin embargo, la energía se puede almacenar de forma inductiva en bobinas superconductoras. Un conductor de masa de 1 km de largo 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 media de 5600 g.

Los impulsores de masa basados en la Tierra para propulsar vehículos a la órbita, como el concepto StarTram, requerirían una inversión de capital considerable. La gravedad relativamente fuerte de la Tierra y la atmósfera relativamente espesa dificultan la implementación de una solución práctica. Además, la mayoría, si no todos, los sitios de lanzamiento plausibles impulsarían naves espaciales a través de rutas aéreas muy transitadas. Debido a la enorme turbulencia que provocarían tales lanzamientos, se necesitarían importantes medidas de control del tráfico aéreo para garantizar la seguridad de otras aeronaves que operan en la zona.

Con la proliferación de cohetes reutilizables para lanzar desde la Tierra (especialmente las primeras etapas), cualquier potencial que alguna vez haya existido para cualquier ventaja económica en el uso de impulsores de masa como alternativa a los cohetes químicos para lanzar desde la Tierra es cada vez más dudoso. Por estas razones, muchas propuestas incluyen la instalación de impulsores de masa en la Luna, donde la menor gravedad y la falta de atmósfera reducen en gran medida la velocidad requerida para alcanzar la órbita lunar, además, es mucho menos probable que los lanzamientos lunares desde una posición fija generen problemas con respecto a asuntos como como controlador de tráfico.

La mayoría de los diseños serios de controladores de masa utilizan bobinas superconductoras para lograr una eficiencia energética razonable (a menudo del 50 % al 90 % o más, según el diseño). El equipo puede incluir un cubo superconductor o una bobina de aluminio como carga útil. Las bobinas de un controlador de masa pueden inducir corrientes de Foucault en la bobina de aluminio de una carga útil y luego actuar sobre el campo magnético resultante. Hay dos secciones de un controlador de masa. La parte de aceleración máxima espacia las bobinas a distancias constantes y sincroniza las corrientes de la bobina con el cubo. En este tramo, la aceleración aumenta a medida que aumenta la velocidad, hasta el máximo que puede soportar el balde. 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 el transporte de material de la superficie lunar a hábitats espaciales para su procesamiento con energía solar. El Instituto de Estudios Espaciales demostró que esta aplicación era razonablemente práctica.

En algunos diseños, la carga útil se mantendría en un balde y luego se soltaría, de modo que el balde se pueda desacelerar y reutilizar. Un cubo desechable, por otro lado, aprovecharía la aceleración a lo largo de toda la pista. Alternativamente, si se construyera una pista a lo largo de toda la circunferencia de la Luna (o cualquier otro cuerpo celeste sin una atmósfera significativa), la aceleración de un cubo reutilizable no estaría limitada por la longitud de la pista; sin embargo, tal sistema tendría que diseñarse para resistir fuerzas centrífugas sustanciales si se pretendiera acelerar pasajeros y/o carga a velocidades muy altas.

En la Tierra

A diferencia de los conceptos de armas espaciales químicas solo de carga, un impulsor masivo podría ser de cualquier longitud, asequible y con una aceleración relativamente suave en todo momento, opcionalmente incluso lo suficientemente largo como para alcanzar la velocidad objetivo sin fuerzas g excesivas para los pasajeros. Se puede construir como una pista de lanzamiento muy larga y principalmente alineada horizontalmente para lanzamientos espaciales, apuntando hacia arriba en el extremo, en parte doblando la pista hacia arriba y en parte por la curvatura de la Tierra en la otra dirección.

Las elevaciones naturales, como las montañas, pueden facilitar la construcción de la parte distante orientada hacia arriba. Cuanto más arriba termine la pista, menos resistencia de la atmósfera encontrará el objeto lanzado.

La energía cinética de 40 megajulios por kilogramo o menos de los proyectiles lanzados a una velocidad de hasta 9000 m/s (si se incluyen las pérdidas adicionales por arrastre) hacia la órbita terrestre baja es de unos pocos kilovatios-hora por kilogramo si las eficiencias son relativamente altas, lo que en consecuencia, se ha planteado la hipótesis de que el costo de energía eléctrica por kilogramo enviado a LEO es inferior a $ 1, aunque los costos totales serían mucho más que la electricidad sola. Al estar ubicado principalmente ligeramente por encima, sobre o debajo del suelo, un impulsor masivo puede ser más fácil de mantener en comparación con muchas otras estructuras de lanzamiento espacial sin cohetes. Ya sea subterráneo o no, debe estar alojado en una tubería que se bombea al vacío para evitar el arrastre de aire interno, como con un obturador mecánico que se mantiene cerrado la mayor parte del tiempo, pero se usa una ventana de plasma durante los momentos de disparo para evitar pérdidas. de vacío

Un conductor de masas en la Tierra normalmente sería un sistema de compromiso. Un conductor masivo aceleraría una carga útil hasta una velocidad alta que no sería suficiente para la órbita. Luego liberaría la carga útil, que completaría el lanzamiento con cohetes. Esto reduciría drásticamente la cantidad de velocidad que deben proporcionar los cohetes para alcanzar la órbita. Mucho menos de una décima parte de la velocidad orbital de un propulsor de cohete pequeño es suficiente para elevar el perigeo si un diseño prioriza minimizarlo, pero las propuestas híbridas reducen opcionalmente los requisitos para el impulsor de masa en sí mismo al tener una mayor porción de delta-v por un cohete quemado (o atadura de intercambio de momento orbital). En la Tierra, un diseño de impulsor de masas posiblemente podría usar componentes de levitación magnética bien probados.

Para lanzar un vehículo espacial con humanos a bordo, la pista de un conductor masivo tendría que tener casi 1000 kilómetros de largo si proporcionara casi toda la velocidad a la órbita terrestre baja, aunque una longitud menor podría proporcionar una gran asistencia de lanzamiento. La longitud requerida, si se acelera principalmente cerca de una fuerza g máxima constante aceptable para los pasajeros, es proporcional a la velocidad al cuadrado. Por ejemplo, la mitad del objetivo de velocidad podría corresponder a un túnel de un cuarto de largo que necesita ser construido, para la misma aceleración. Para objetos resistentes, pueden ser suficientes aceleraciones mucho más altas, lo que permite una trayectoria mucho más corta, potencialmente circular o helicoidal (espiral). Otro concepto implica un diseño de anillo grande en el que un vehículo espacial daría varias vueltas alrededor del anillo, ganando velocidad gradualmente, antes de ser liberado en un corredor de lanzamiento que conduce hacia el cielo.

Se han propuesto impulsores de masa para la eliminación de desechos nucleares en el espacio: un proyectil lanzado a una velocidad de escape muy superior a la de la Tierra escaparía del Sistema Solar, con el paso atmosférico a tal velocidad calculada como sobrevivible a través de un proyectil alargado y un escudo térmico muy sustancial.

Controladores de masa basados en naves espaciales

Una nave espacial podría llevar un conductor de masas como motor principal. Con una fuente adecuada de energía eléctrica (probablemente un reactor nuclear), la nave espacial podría usar el impulsor de masa para acelerar piezas de materia de casi cualquier tipo, impulsándose en la dirección opuesta. En la escala más pequeña de masa de reacción, este tipo de impulso se denomina impulso iónico.

No se conoce ningún límite teórico absoluto para el tamaño, la aceleración o la energía de salida de los motores lineales. Sin embargo, se aplican restricciones prácticas de ingeniería, como la relación potencia-masa, la disipación de calor residual y la entrada de energía que se puede suministrar y manejar. La velocidad de escape es mejor ni demasiado baja ni demasiado alta.

Existe una velocidad de escape óptima y un impulso específico limitados que dependen de la misión para cualquier propulsor limitado por una cantidad limitada de potencia a bordo de la nave espacial. El empuje y el momento del escape, por unidad de masa expulsada, aumenta linealmente con su velocidad (momento = mv), pero los requisitos de entrada de energía y energía cinética aumentan más rápido con la velocidad al cuadrado (energía cinética = +1⁄2 mv ²). Una velocidad de escape demasiado baja aumentaría excesivamente la masa propulsora necesaria según la ecuación del cohete, con una fracción demasiado alta de energía destinada a acelerar el propulsor que aún no se ha utilizado. Una mayor velocidad de escape tiene beneficios y compensaciones, ya que aumenta la eficiencia del uso del propulsor (más impulso 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 (menos impulso por unidad de energía dada al propulsor).

Los métodos de propulsión eléctrica, como los impulsores de masa, son sistemas en los que la energía no proviene del propio propulsor. (Esto contrasta con los cohetes químicos donde la eficiencia de propulsión varía con la relación entre la velocidad de escape y la velocidad del vehículo en ese momento, pero el impulso específico máximo obtenible cercano tiende a ser un objetivo de diseño cuando corresponde a la mayor cantidad de energía liberada de los propulsores que reaccionan). Aunque el impulso específico de un propulsor eléctrico en sí mismo podría variar opcionalmente hasta donde los impulsores de masa se fusionen en aceleradores de partículas con una velocidad de escape fraccionaria de la velocidad de la luz para partículas diminutas, tratar de usar una velocidad de escape extrema para acelerar una nave espacial mucho más lenta podría ser un empuje subóptimamente bajo cuando el la energía disponible del reactor o la fuente de energía de una nave espacial es limitada (un análogo menor de la alimentación de energía a bordo a una fila de focos, siendo los fotones un ejemplo de una relación de impulso a energía extremadamente baja).

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

Dado que un conductor de masa podría usar cualquier tipo de masa como masa de reacción para mover la nave espacial, un conductor de masa o alguna variación parece ideal para los vehículos del espacio profundo que buscan masa de reacción de los recursos encontrados.

Un posible inconveniente del controlador de masa es que tiene el potencial de enviar una masa de reacción sólida que viaja a velocidades relativas peligrosamente altas hacia órbitas y carriles de tráfico útiles. Para superar este problema, la mayoría de los esquemas planean arrojar polvo finamente dividido. Alternativamente, el oxígeno líquido podría usarse como masa de reacción, que al liberarse se reduciría a su estado molecular. Propulsar la masa de reacción a la velocidad de escape solar es otra forma de garantizar que no siga siendo un peligro.

Controladores de masa híbridos

Se podría utilizar un conductor de masas en una nave espacial para "reflejar" masas de un controlador de masa estacionario. Cada desaceleración y aceleración de la masa contribuye al impulso de la nave espacial. La nave espacial liviana y rápida no necesita transportar masa de reacción y no necesita mucha electricidad más allá de la cantidad necesaria para reemplazar las pérdidas en la electrónica, mientras que la instalación de soporte inmóvil puede funcionar con plantas de energía que pueden ser mucho más grandes que la nave espacial si es necesario. Esto podría considerarse una forma de propulsión impulsada por haz (un análogo a escala macroscópica de una vela magnética propulsada por haz de partículas). Un sistema similar también podría entregar gránulos de combustible a una nave espacial para impulsar otro sistema de propulsión.

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.

Impulsores de masas como armas

Los lanzadores de proyectiles electromagnéticos de alta aceleración y de tamaño pequeño a moderado están siendo investigados activamente por la Marina de los EE. UU. para su uso como armas terrestres o navales (la mayoría de las veces, cañones de riel, pero en algunos casos, cañones de bobina). En una escala mayor que las armas que actualmente están a punto de desplegarse pero que a veces se sugiere 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 construye en la Luna o en órbita, se puede usar). para atacar un lugar en la superficie de la Tierra). Como el impulsor de masa estaría ubicado más arriba en el pozo de gravedad que los objetivos teóricos, disfrutaría de un desequilibrio energético significativo en términos de contraataque.

Intentos prácticos

Una de las primeras descripciones de ingeniería de una "pistola eléctrica" aparece en el suplemento técnico de la novela de ciencia ficción de 1937 "Zero to Eighty" de "Akkad Pseudoman", seudónimo del físico y empresario eléctrico de Princeton 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 por un vehículo de dos personas lanzado por una pistola eléctrica Northrup.

Desde 1976 se han construido prototipos de controladores de masa posteriores (Mass Driver 1), algunos construidos por el Instituto de Estudios Espaciales de EE. UU. para demostrar sus propiedades y practicidad. La I+D militar en cañones de bobina está relacionada, 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.