Estatorreactor Bussard

La concepción del artista de un ramje de Bussard. Un componente importante de un ramjet real – un campo electromagnético a lo largo de millas – es invisible.

Bussard Ramjet en movimiento.

1. Medio interestelar
2. Recoger y comprimir hidrógeno
3. Transporte hidrógeno al lado de la carga útil
4. Fusión termonuclear
5. Boquilla de motor
6. Flue gas jet

El estatorreactor Bussard es un método teórico de propulsión de naves espaciales propuesto en 1960 por el físico Robert W. Bussard, popularizado por la novela Tau Zero de Poul Anderson, Larry Niven en su serie de libros Known Space, Vernor Vinge en su serie Zones of Thought, y mencionado por Carl Sagan en la serie de televisión y el libro Cosmos.

Bussard propuso una variante estatorreactor de un cohete de fusión capaz de realizar viajes interestelares razonables, usando enormes campos electromagnéticos (que van desde kilómetros hasta muchos miles de kilómetros de diámetro) como una cuchara de ram para recolectar y comprimir hidrógeno del medio interestelar. Las altas velocidades obligan a la masa reactiva a entrar en un campo magnético progresivamente contraído, comprimiéndolo hasta que se produce la fusión termonuclear. El campo magnético luego dirige la energía hacia el escape del cohete, proporcionando empuje.

Viabilidad

Desde la época de la propuesta original de Bussard, se ha descubierto que la región que rodea el Sistema Solar tiene una densidad de hidrógeno mucho más baja de lo que se creía en ese momento (ver Nube interestelar local). John Ford Fishback hizo una importante contribución a los detalles del estatorreactor Bussard en 1969. T. A. Heppenheimer analizó la sugerencia original de Bussard de fusionar protones, pero encontró que las pérdidas de Bremsstrahlung al comprimir protones a densidades de fusión eran mayores que la potencia que podría ser producido por un factor de alrededor de mil millones, lo que indica que la versión propuesta del estatorreactor Bussard no era factible. Sin embargo, el análisis de Daniel P. Whitmire de 1975 indica que un estatorreactor puede alcanzar potencia neta a través del ciclo CNO, que produce fusión a una velocidad mucho más alta (~10¹⁶ veces mayor) que el protón. –cadena de protones.

Robert Zubrin y Dana Andrews analizaron una versión hipotética del estatorreactor y estatorreactor Bussard en 1985. Determinaron que su versión del estatorreactor no podría acelerar hacia el viento solar. Sin embargo, en sus cálculos asumieron que:

1. La velocidad de escape de su propulsión de iones interplanetario no podía exceder de 100.000 m/s (100 km/s);
2. La mayor fuente de energía disponible podría ser un reactor de fusión nuclear de 500 kilovatios.

En el diseño del estatorreactor interplanetario de Zubrin/Andrews, calcularon que la fuerza de arrastre d/dt(mv₁) es igual a la masa de los iones recogidos por segundo multiplicada por la velocidad de los iones recogidos dentro del sistema solar en relación con el ramscoop. Se supuso que la velocidad de los iones recogidos (recogidos) del viento solar era de 500 000 m/s.

Se supuso que la velocidad de escape de los iones cuando eran expulsados por el estatorreactor no superaba los 100 000 m/s. El empuje del estatorreactor d/dt(mv₂) era igual a la masa de iones expulsados por segundo multiplicada por 100.000 metros por segundo. En el diseño de Zubrin/Andrews de 1985, esto resultó en la condición de que d/dt(mv₁) > d/dt(mv₂). Esta condición dio como resultado que la fuerza de arrastre excediera el empuje del estatorreactor hipotético en la versión del diseño de Zubrin/Andrews.

Inventos relacionados

Cohete interestelar aumentado Ram (RAIR)

El problema de utilizar el medio interestelar como única fuente de combustible condujo al estudio del cohete interestelar aumentado Ram (RAIR). El RAIR transporta su suministro de combustible nuclear y agota los productos de reacción para producir parte de su empuje. Sin embargo, mejora enormemente su rendimiento al recoger el medio interestelar y usarlo como masa de reacción adicional para aumentar el cohete. El sistema de propulsión del RAIR consta de tres subsistemas: un reactor de fusión, un campo de palas y un acelerador de plasma. El campo de pala canaliza el gas interestelar hacia un 'acelerador'. (Esto podría ser, por ejemplo, un sistema de intercambio de calor que transfiera energía térmica del reactor directamente al gas interestelar) que recibe energía de un reactor. Una de las mejores maneras de entender este concepto es considerar que el combustible nuclear de hidrógeno que se lleva a bordo actúa como combustible (fuente de energía) mientras que el gas interestelar recogido por la pala y luego expulsado a gran velocidad por la parte trasera actúa como propulsor (la masa de reacción), por lo tanto, el vehículo tiene un suministro de combustible limitado pero un suministro de propulsor ilimitado. Un estatorreactor Bussard normal tendría un suministro infinito de ambos. Sin embargo, la teoría sugiere que donde un estatorreactor Bussard sufriría resistencia al tener que acelerar previamente el gas interestelar a su propia velocidad antes de la admisión, un sistema RAIR podría transferir energía a través del 'acelerador'. mecanismo al medio interestelar a pesar de las diferencias de velocidad, por lo que sufriría mucho menos arrastre.

Estatorreactor interestelar accionado por láser

La energía emitida junto con un vehículo que extrae hidrógeno del medio interestelar es otra variante. Una matriz de láser en el sistema solar emite rayos a un colector en un vehículo que usa algo así como un acelerador lineal para producir empuje. Esto resuelve el problema del reactor de fusión para el estatorreactor. Existen limitaciones debido a la atenuación de la energía emitida con la distancia.

Vela magnética

Los cálculos (realizados por Robert Zubrin y un asociado) inspiraron la idea de un paracaídas o vela magnética. Esto podría ser importante para los viajes interestelares porque significa que la desaceleración en el destino se puede realizar con un paracaídas magnético en lugar de un cohete.

Motor estelar basado en enjambre Dyson (propulsor Caplan)

El astrofísico Matthew E. Caplan de la Universidad Estatal de Illinois ha propuesto un tipo de motor estelar que utiliza un enjambre de espejos Dyson para concentrar la energía estelar en ciertas regiones de una estrella similar al Sol, produciendo haces de viento solar para ser recogidos por un estatorreactor múltiple. conjunto que a su vez produce chorros dirigidos de plasma para estabilizar su órbita y oxígeno-14 para empujar la estrella. Usando cálculos rudimentarios que asumen la máxima eficiencia, Caplan estima que el motor Bussard usaría 10¹⁵ gramos por segundo de material solar para producir una aceleración máxima de 10⁻⁹ m/s², lo que arroja una velocidad de 200 km/s después de 5 millones de años y una distancia de 10 parsecs durante 1 millón de años. El motor Bussard teóricamente funcionaría durante 100 millones de años dada la tasa de pérdida de masa del Sol, pero Caplan considera que 10 millones de años son suficientes para evitar una colisión estelar. Su propuesta fue encargada por el canal educativo de YouTube Kurzgesagt.

Trayectoria preestablecida

Varias de las dificultades técnicas obvias del estatorreactor Bussard se pueden superar lanzando combustible a lo largo de la trayectoria de la nave espacial usando algo así como un cañón de riel magnético.

Las ventajas de este sistema incluyen

• Lanzar sólo combustible de fusión ionizado para que los scoops magnéticos o electrostáticos puedan embalar más fácilmente el combustible en el motor. El inconveniente es que esto hará que el combustible se disuelva debido a la repulsión electrostática.
• Lanzando el combustible en una trayectoria para que el vector de velocidad de combustible coincida estrechamente con el vector de velocidad esperado de la nave espacial en ese punto en su trayectoria. Esto minimizará las fuerzas "drag" generadas por la recolección de combustible.
• Lanzamiento de ratios de isótopos optimizados para los motores de fusión en la nave espacial. Un ramjet convencional de Bussard recogerá principalmente hidrógeno con un peso atómico de 1. Este isótopo es más difícil de fusionar que los isótopos de deuterio o tritio de hidrógeno. Al lanzar la relación ideal de isótopos de hidrógeno para el motor de fusión en la nave espacial se puede optimizar el rendimiento del motor de fusión.
• Aunque el combustible prelanzado para el ramjet niega una ventaja del diseño de Bussard (colección del combustible a medida que se mueve a través del medio interestelar, ahorrando el costo para lanzar la masa de combustible), al menos conserva la ventaja de no tener que acelerar la masa del combustible y la masa del cohete al mismo tiempo.
• El combustible prelanzado proporcionaría cierta visibilidad en el medio interestelar, alertando así la nave espacial de peligros invisibles (por ejemplo, enanas marrones).

Las principales desventajas de este sistema incluyen

• La nave espacial no podía desviarse de la trayectoria precalculada a menos que fuera fundamental hacerlo. Cualquier desviación de este tipo separaría la nave espacial de su suministro de combustible y lo dejaría con sólo una capacidad mínima para regresar a su trayectoria original.
• El combustible prelanzado para la desaceleración en la estrella de destino no estaría disponible a menos que se lanzaran muchas décadas antes del lanzamiento de naves espaciales. Sin embargo, otros sistemas (como las velas magnéticas) podrían utilizarse para este propósito.