Propulsión impulsada por haz

La propulsión impulsada por haz, también conocida como propulsión de energía dirigida, es una clase de propulsión de aeronave o nave espacial que utiliza energía emitida a la nave espacial desde una planta de energía remota para proporcionar energía. El haz suele ser un microondas o un haz láser y es pulsado o continuo. Un haz continuo se presta a cohetes térmicos, propulsores fotónicos y velas ligeras, mientras que un haz pulsado se presta a propulsores ablativos y motores de detonación por pulsos.

La regla general que suele citarse es que se necesita un megavatio de energía emitida a un vehículo por kg de carga útil mientras se acelera para permitirle alcanzar la órbita terrestre baja.

Además del lanzamiento a la órbita, también se han propuesto aplicaciones para moverse rápidamente alrededor del mundo.

Antecedentes

Los cohetes son máquinas de impulso; utilizan la masa expulsada del cohete para proporcionar impulso al cohete. El impulso es el producto de la masa y la velocidad, por lo que los cohetes generalmente intentan poner la mayor velocidad posible en su masa de trabajo, minimizando así la cantidad de masa de trabajo que se necesita. Para acelerar la masa de trabajo, se requiere energía. En un cohete convencional, el combustible se combina químicamente para proporcionar la energía y los productos resultantes del combustible, las cenizas o los gases de escape, se utilizan como masa de trabajo.

No hay ninguna razón en particular por la que se deba usar el mismo combustible tanto para la energía como para el impulso. En el motor a reacción, por ejemplo, el combustible se usa solo para producir energía, la masa de trabajo proviene del aire a través del cual vuela el avión a reacción. En los motores a reacción modernos, la cantidad de aire propulsado es mucho mayor que la cantidad de aire utilizado como energía. Sin embargo, esta no es una solución para el cohete, ya que ascienden rápidamente a altitudes en las que el aire es demasiado delgado para ser útil como fuente de masa de trabajo.

Sin embargo, los cohetes pueden transportar su masa de trabajo y usar alguna otra fuente de energía. El problema es encontrar una fuente de energía con una relación potencia-peso que compita con los combustibles químicos. Los reactores nucleares pequeños pueden competir en este sentido, y en la década de 1960 se llevó a cabo un trabajo considerable en la propulsión térmica nuclear, pero las preocupaciones ambientales y el aumento de los costos llevaron al final de la mayoría de estos programas.

Se puede realizar una mejora adicional eliminando la creación de energía de la nave espacial. Si el reactor nuclear se deja en tierra y su energía se transmite a la nave espacial, el peso del reactor también se elimina. La cuestión entonces es llevar la energía a la nave espacial. Esta es la idea detrás del poder transmitido.

Con la propulsión por rayos, se puede dejar la fuente de energía estacionaria en el suelo y calentar directamente (o mediante un intercambiador de calor) el propulsor en la nave espacial con un máser o un rayo láser desde una instalación fija. Esto permite que la nave espacial deje su fuente de energía en casa, ahorrando cantidades significativas de masa y mejorando en gran medida el rendimiento.

Propulsión láser

Dado que un láser puede calentar el propulsor a temperaturas extremadamente altas, esto puede mejorar enormemente la eficiencia de un cohete, ya que la velocidad de escape es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura. Los cohetes químicos normales tienen una velocidad de escape limitada por la cantidad fija de energía en los propulsores, pero los sistemas de propulsión de rayos no tienen un límite teórico particular (aunque en la práctica hay límites de temperatura).

Propulsión por microondas

En la propulsión térmica por microondas, se utiliza un haz de microondas externo para calentar un intercambiador de calor refractario a >1500 K, calentando a su vez un propulsor como hidrógeno, metano o amoníaco. Esto mejora el impulso específico y la relación empuje/peso del sistema de propulsión en relación con la propulsión de cohetes convencional. Por ejemplo, el hidrógeno puede proporcionar un impulso específico de 700 a 900 segundos y una relación empuje/peso de 50 a 150.

Una variación, desarrollada por los hermanos James Benford y Gregory Benford, consiste en utilizar la desorción térmica del propelente atrapado en el material de una vela de microondas muy grande. Esto produce una aceleración muy alta en comparación con las velas impulsadas por microondas solas.

Propulsión eléctrica

Algunos mecanismos de propulsión de naves espaciales propuestos utilizan propulsión de naves espaciales accionada eléctricamente, en la que un motor de cohete accionado eléctricamente utiliza energía eléctrica, como un propulsor de iones o un motor de propulsión de plasma. Por lo general, estos esquemas asumen paneles solares o un reactor a bordo. Sin embargo, ambas fuentes de energía son pesadas.

La propulsión por haz en forma de láser se puede utilizar para enviar energía a un panel fotovoltaico, para propulsión eléctrica por láser. En este sistema, si incide alta intensidad en el panel solar, se debe diseñar cuidadosamente los paneles es necesario para evitar una caída de la eficiencia de conversión debido a los efectos del calentamiento. John Brophy ha analizado la transmisión de energía láser a una matriz fotovoltaica que alimenta un sistema de propulsión eléctrica de alta eficiencia como un medio para lograr misiones de alto delta-V, como una misión precursora interestelar en un proyecto de Conceptos Avanzados e Innovadores de la NASA.

Se podría usar un haz de microondas para enviar energía a una rectenna, para propulsión eléctrica de microondas. La potencia de transmisión de microondas se ha demostrado prácticamente varias veces (por ejemplo, Goldstone, California en 1974), las rectennas son potencialmente livianas y pueden manejar alta potencia con alta eficiencia de conversión. Sin embargo, las rectennas tienden a necesitar ser muy grandes para capturar una cantidad significativa de energía.

Impulso directo

También se podría usar un rayo para proporcionar impulso al "empujar" en la vela

Un ejemplo de esto sería usar una vela solar para reflejar un rayo láser. Este concepto, llamado vela láser impulsada por láser, fue propuesto inicialmente por G. Marx, pero primero fue analizado en detalle y elaborado por el físico Robert L. Forward en 1989 como un método de viaje interestelar que evitar proporciones de masa extremadamente altas al no llevar combustible. Landis, Mallove y Matloff, Andrews Lubin y otros realizaron un análisis adicional del concepto.

En un artículo posterior, Forward propuso empujar una vela con un haz de microondas. Esto tiene la ventaja de que la vela no necesita ser una superficie continua. Forward etiquetó su propuesta para una vela ultraligera como "Starwisp". Un análisis posterior de Landis sugirió que el concepto Starwisp propuesto originalmente por Forward no funcionaría, pero podrían implementarse variaciones de la propuesta.

El haz debe tener un gran diámetro para que solo una pequeña porción del haz no alcance la vela debido a la difracción y la antena láser o de microondas debe tener una buena estabilidad de orientación para que la embarcación pueda inclinar sus velas lo suficientemente rápido para sigue el centro de la viga. Esto se vuelve más importante cuando se pasa de un viaje interplanetario a un viaje interestelar, y cuando se pasa de una misión de sobrevuelo, a una misión de aterrizaje, a una misión de regreso. El láser o el emisor de microondas probablemente sería una gran matriz en fase de pequeños dispositivos, que obtienen su energía directamente de la radiación solar. El tamaño de la matriz niega la necesidad de una lente o un espejo.

Otro concepto impulsado por haz sería utilizar una vela magnética o una vela MMPP para desviar un haz de partículas cargadas de un acelerador de partículas o chorro de plasma. Landis propuso una vela empujada por un haz de partículas en 1989 y la analizó con más detalle en un artículo de 2004. Jordin Kare ha propuesto una variante de esto en la que un "beam" de pequeñas velas ligeras aceleradas por láser transferiría impulso a un vehículo magsail.

Otro concepto impulsado por haz utiliza gránulos o proyectiles de materia ordinaria. Una corriente de gránulos de un impulsor de masa estacionario se "refleja" por la nave espacial, cf. conductor de masas. La nave espacial no necesita energía ni masa de reacción para su propia propulsión.

Sistemas propuestos

Luz

Una nave ligera es un vehículo actualmente en desarrollo que utiliza una fuente externa pulsada de energía láser o máser para proporcionar energía para producir empuje.

El láser brilla en un reflector parabólico en la parte inferior del vehículo que concentra la luz para producir una región de temperatura extremadamente alta. El aire en esta región se calienta y se expande violentamente, produciendo empuje con cada pulso de luz láser. En el espacio, una nave liviana necesitaría proporcionar este gas desde los tanques a bordo o desde un sólido ablativo. Al dejar la fuente de energía del vehículo en tierra y usar la atmósfera ambiental como masa de reacción durante gran parte de su ascenso, una nave liviana sería capaz de poner en órbita un gran porcentaje de su masa de lanzamiento. También podría ser potencialmente muy barato de fabricar.

Pruebas

Temprano en la mañana del 2 de octubre de 2000 en el Centro de Pruebas de Sistemas Láser de Alta Energía (HELSTF), Lightcraft Technologies, Inc. (LTI) con la ayuda de Franklin B. Mead del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los EE. UU. y el conjunto de Leik Myrabo un nuevo récord mundial de altitud de 233 pies (71 m) para su cohete impulsado por láser de 4,8 pulgadas (12,2 cm) de diámetro y 1,8 onzas (51 g) en un vuelo que dura 12,7 segundos. Aunque gran parte del vuelo de las 8:35 a. m. se pasó flotando a más de 230 pies, el Lightcraft obtuvo un récord mundial por el vuelo libre impulsado por láser más largo de la historia y el mayor 'tiempo en el aire'. (es decir, de lanzamiento a aterrizaje/recuperación) de un objeto propulsado por luz. Esto es comparable al primer vuelo de prueba de Robert Goddard de su diseño de cohete. El aumento de la potencia del láser a 100 kilovatios permitirá vuelos a una altitud de hasta 30 kilómetros. Su objetivo es acelerar un microsatélite de un kilogramo a la órbita terrestre baja utilizando un láser terrestre de un megavatio hecho a medida. Tal sistema usaría solo alrededor de 20 dólares' valor de la electricidad, colocando los costos de lanzamiento por kilogramo a muchas veces menos que los costos de lanzamiento actuales (que se miden en miles de dólares).

La 'nave ligera' de Myrabo El diseño es una nave reflectante en forma de embudo que canaliza el calor del láser hacia el centro, utilizando una superficie parabólica reflectante que hace que el láser explote literalmente el aire debajo de él, generando sustentación. Las superficies reflectantes en la nave enfocan el rayo en un anillo, donde calienta el aire a una temperatura casi cinco veces más caliente que la superficie del sol, lo que hace que el aire se expanda explosivamente para impulsarse.

Cohete térmico láser

Un cohete térmico láser es un cohete térmico en el que el propulsor se calienta con la energía proporcionada por un rayo láser externo. En 1992, el difunto Jordin Kare propuso un concepto más simple y más cercano que tiene un cohete que contiene hidrógeno líquido. El propulsor se calienta en un intercambiador de calor sobre el que brilla el rayo láser antes de salir del vehículo a través de una boquilla convencional. Este concepto puede utilizar láseres de haz continuo, y los láseres semiconductores ahora son rentables para esta aplicación.

Cohete térmico de microondas

En 2002, Kevin L.G. Parkin propuso un sistema similar utilizando microondas. En mayo de 2012, el Proyecto del Sistema de Lanzamiento Térmico de Ondas Milimétricas (MTLS) de DARPA/NASA dio los primeros pasos para implementar esta idea. El Proyecto MTLS fue el primero en demostrar un intercambiador de calor refractario absorbente de ondas milimétricas, integrándolo posteriormente en el sistema de propulsión de un pequeño cohete para producir el primer cohete térmico de ondas milimétricas. Simultáneamente, desarrolló el primer director de haz de ondas milimétricas objetivo cooperativo de alta potencia y lo utilizó para intentar el primer lanzamiento de un cohete térmico de ondas milimétricas. Se intentaron varios lanzamientos, pero no se pudieron resolver los problemas con el director del haz antes de que se agotaran los fondos en marzo de 2014.

Economía

La motivación para desarrollar sistemas de propulsión propulsados por haz proviene de las ventajas económicas que se obtendrían como resultado de un mejor rendimiento de la propulsión. En el caso de los vehículos de lanzamiento impulsados por rayos, un mejor rendimiento de la propulsión permite alguna combinación de mayor fracción de carga útil, mayores márgenes estructurales y menos etapas. El estudio de JASON de 1977 sobre propulsión láser, escrito por Freeman Dyson, articula sucintamente la promesa del lanzamiento impulsado por rayos:

"La propulsión láser como una idea que puede producir una revolución en la tecnología espacial. Una sola instalación láser en el suelo puede en teoría lanzar vehículos de una sola etapa en órbita terrestre baja o alta. La carga útil puede ser del 20% o del 30% del peso de despegue del vehículo. Es mucho más económico en el uso de masa y energía que la propulsión química, y es mucho más flexible en poner vehículos idénticos en una variedad de órbitas."

Esta promesa se cuantificó en un estudio de Lockheed de 1978 realizado para la NASA:

"Los resultados del estudio mostraron que, con tecnología avanzada, el sistema de cohetes láser con un transmisor láser espacial o terrestre podría reducir el presupuesto nacional asignado al transporte espacial en 10 a 345 mil millones de dólares durante un ciclo de vida de 10 años en comparación con los sistemas avanzados de propulsión química (LO)₂-LH₂) de igual capacidad."

Coste del director de haz

Los estudios de la década de 1970 y otros desde entonces han mencionado el costo del director de haz como un posible impedimento para los sistemas de lanzamiento impulsados por haz. Un análisis reciente de costo-beneficio estima que los cohetes térmicos de microondas (o láser) serían económicos una vez que el costo del director de haz caiga por debajo de 20 $/vatio. El costo actual de los láseres adecuados es <100 $/vatio y el costo actual de las fuentes de microondas adecuadas es <$5/vatio. La producción en masa ha reducido el costo de producción de los magnetrones de horno de microondas a <0,01 $/vatio y algunos láseres médicos a <10 $/vatio, aunque se cree que no son adecuados para su uso en directores de haz.

Aplicaciones no relacionadas con naves espaciales

En 1964, William C. Brown hizo una demostración de un helicóptero en miniatura equipado con una antena combinada y un dispositivo rectificador llamado rectenna. La rectenna convirtió la energía de microondas en electricidad, lo que permitió que el helicóptero volara.

En 2002, un grupo japonés propulsó un diminuto avión de aluminio usando un láser para vaporizar una gota de agua adherida a él, y en 2003, los investigadores de la NASA volaron un modelo de avión de 11 onzas (312 g) con una hélice impulsada por paneles solares iluminados. por un láser. Es posible que tal propulsión impulsada por haz pueda ser útil para aviones o globos no tripulados de gran altitud y larga duración, quizás diseñados para servir, como lo hacen los satélites hoy en día, como relés de comunicación, plataformas científicas o plataformas de vigilancia.

Una "escoba láser" ha sido propuesto para barrer los desechos espaciales de la órbita terrestre. Este es otro uso propuesto de la propulsión impulsada por haz, utilizada en objetos que no fueron diseñados para ser propulsados por él, por ejemplo, pequeños fragmentos de satélites desprendidos ("astillados"). La técnica funciona ya que la potencia del láser ablaciona un lado del objeto, dando un impulso que cambia la excentricidad de la órbita del objeto. La órbita luego se cruzaría con la atmósfera y se quemaría.