Top 10 de motores conceptuales de naves espaciales

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Lanzar una nave al espacio es un proceso lento y costoso de ciencia e ingeniería extrañas. Básicamente, necesitamos cohetes, motores extremos que expulsan gases de escape propulsores de alta velocidad para generar empuje. Su funcionamiento es un milagro tecnológico según los estándares del siglo pasado, pero los conceptos básicos son bastante fáciles. A presión elevada, un encendedor hace que el combustible explote dentro de una cámara de combustión junto con una fuente de oxígeno (generalmente líquido). El fluido resultante escapa por la boquilla del extremo como masa de reacción.

A diferencia de los chorros que respiran aire, los cohetes no pueden transmitir gases atmosféricos para producir movimiento porque en las alturas orbitales la atmósfera se vuelve demasiado delgada. Por lo tanto, un motor de cohete debe impulsar su propio fluido de escape para obtener empuje. Parece simple, pero los problemas técnicos involucrados en el proyecto, la construcción, el ensamblaje y la prueba de las naves espaciales operativas disparan el presupuesto de cualquier lanzamiento de satcom.

Al parecer, superar la gravedad de la Tierra y llegar al espacio exterior es el límite para los actuales cohetes químicos, que utilizan la reacción exotérmica como propulsión. Afortunadamente, la ciencia aplicada se trata menos de luchar contra la física que de averiguar cómo hacer que sus leyes funcionen favorablemente. Aquí vienen 10 conceptos de propulsores de naves espaciales que pueden expandir los horizontes de la humanidad.

10 turborreactor sinérgico


Un método para construir naves espaciales más baratas podría ser el enfoque de una sola etapa a la órbita (SSTO), un sistema de propulsión conceptual que no depende de la eliminación del hardware para alcanzar la altura orbital. Utilizaría aire atmosférico durante el lanzamiento para alimentar la reacción de combustión del motor, lo que evitará llevar oxidante adicional y, por lo tanto, reducirá el peso.

Siguiendo dicha propuesta, la empresa británica Reaction Engines Limited (REL) diseñó su avión espacial Skylon para operar utilizando SABRE, un concepto de motor de respiración de aire. Para contar solo con su propio hardware interno para impulsar, SABRE podrá cambiar entre dos modos de operación: un turborreactor típico que depende del aire atmosférico para alimentar la combustión interna y un motor de cohete convencional que usa suministro de oxígeno líquido.

REL publicó una propuesta para un viaje tripulado a Marte que emplearía la nave espacial Skylon para construir las naves de la misión en órbita.

9 cohete nuclear térmico


Rosatom, una corporación estatal rusa que gestiona los asuntos nucleares internos, está construyendo un motor de cohete que tardaría solo 45 días en viajar de la Tierra a Marte (frente a los 18 meses actuales). Dicha tecnología será similar a los cohetes térmicos nucleares (NTR) URSS diseñados durante la Guerra Fría. Dentro de un reactor a bordo, la energía liberada por la división de los átomos sobrecalienta el fluido de trabajo para crear alta presión y, por lo tanto, empuje, como lo que hacen las reacciones de combustión de propulsores en un cohete químico. Debido a la densidad energética del combustible nuclear, los motores NTR pesan menos y tienen un bajo consumo.

Del mismo modo, la NASA revivió su proyecto NTR 40 años después del cierre del programa NERVA, pero la agencia espacial también está buscando un mayor espectro de posibilidades relacionadas con la energía nuclear, como los cohetes impulsados ​​por fusión y las bombillas nucleares.

8 Unidad de antimateria térmica


Cada sustancia física del universo está compuesta de materia; la materia está formada por partículas, y por cada partícula hay un gemelo oscuro: la antipartícula. Una antipartícula tiene todos los rasgos de su contraparte, excepto la carga opuesta. Cuando ambos gemelos interactúan, se aniquilan y dejan salir energía en el proceso, mucha energía. Los científicos de la NASA quieren emplear este poder para impulsar los motores de los cohetes a la era de los viajes interestelares.

De manera similar a los NTR, la aniquilación de antimateria calentaría el fluido de trabajo para generar empuje, pero con una eficiencia de combustible exponencialmente mayor. 100 miligramos de antimateria son suficientes para llegar a Marte, mientras que un cohete químico necesitaría toneladas de propulsor para una misión tripulada. Los investigadores quieren incluso financiar un barco de antimateria en Kickstarter.

7 Propulsión de pulso nuclear


¿Qué tal un viaje a Alpha Centauri lanzando bombas atómicas en el camino para propulsar su nave espacial? La propulsión de pulso nuclear puede ser el camino más factible para los viajes interestelares. Iniciado en 1958 como una empresa de DARPA, el Proyecto Orion anhelaba construir una verdadera nave espacial de ópera (construcción de estilo submarino, 200 miembros de la tripulación, miles de toneladas de peso de despegue) y ponerla en órbita utilizando propulsión nuclear por pulsos. Todo viable, teórica e ingeniosamente hablando.

Un motor Orion podría producir megatones de empuje dirigiendo pequeñas explosiones nucleares contra una enorme placa de acero unida a la nave espacial con amortiguadores, pero las cuestiones políticas y el presupuesto demostraron ser problemas peores que los obstáculos mecánicos. El Proyecto Orión se cerró en 1965 después de varios logros, sin embargo, todavía se están investigando conceptos similares como la nave espacial Medusa y la propulsión de fisión de antimateria.

6 Micropropulsión de nanopartículas


Cargar eléctricamente moléculas propulsoras y luego impulsarlas a través de campos magnéticos es una forma extremadamente efectiva de propulsar naves espaciales; a pesar de la pequeña fuerza de impulso, los propulsores de iones son varias veces más eficientes energéticamente que los cohetes químicos y eventualmente igualan la propulsión exotérmica a largo plazo. Por cierto, ese fue el sistema que impulsó la nave espacial Dawn hasta Vesta y Ceres.

Financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Universidad de Michigan está desarrollando un propulsor de iones experimental denominado NanoFET. El motor dispararía billones de nanopartículas propulsoras a través de sistemas nanoelectromecánicos, abriendo un concepto de propulsor en un chip que puede impulsar los satélites miniaturizados del mañana. Las cuadrículas de los módulos NanoFET podrían adaptarse y escalarse de manera flexible para adaptarse a diferentes diseños y necesidades de ingeniería.

5 Q-Thruster


Los cohetes expulsan propelente (acción) para obtener empuje (reacción) de acuerdo con la tercera ley de Newton, pero ¿qué pasaría si un impulso pudiera romper esta regla básica de la naturaleza? Roger Shawyer, un ingeniero aeroespacial británico, creía que era perfectamente posible cuando en 1999 propuso un motor sin reacción llamado propulsor de cavidad resonante de radiofrecuencia o simplemente EmDrive (impulsión electromagnética). Un EmDrive haría rebotar microondas dentro de un cono para producir un empuje hacia el extremo estrecho. El experimento generó controversia en la comunidad científica incluso después de que investigadores chinos, alemanes y de la NASA hayan reproducido los procedimientos de Shawyer con resultados positivos.

El funcionamiento de EmDrives permanece exactamente al margen de la física. La teoría de la fluctuación cuántica dice que el vacío burbujea con partículas energéticas que entran y salen de la realidad. Al interactuar con estas partículas a través de microondas, sería posible que un barco se empujara.

El EmDrive creó un concepto completamente nuevo de motores de cohetes conocidos como propulsores de vacío cuánticos (Q-thrusters).

4 propulsor láser fotónico


Young K. Bae es un Ph.D. Dr. físico fundador de YK Bae Corp, un esfuerzo dedicado a la investigación de tecnologías "verdes" en los campos de la energía y los viajes espaciales. Las patentes de Bae incluyen ferrocarriles fotónicos, una nueva clase molecular y el propulsor láser fotónico (PLT). Bae estudió el PLT con fondos de la NASA y pudo diseñar un concepto de conductor espacial que no necesitaría transportar tanques de combustible. En cambio, el PLT recibirá su impulso de láseres disparados contra la nave espacial. Dado que el vacío no tiene fricción, una nave impulsada por PLT ganaría impulso de manera constante para recorrer la distancia a Marte en cuestión de días.

Los avances en la tecnología de energía dirigida serán cruciales para entregar rayos láser de varios megavatios capaces de empujar una nave espacial a través del espacio exterior, permitiendo una arquitectura libre de componentes pesados, como combustible y fuentes de alimentación principales.

Lanzador espacial 3 Coilgun


Los escritores de ciencia ficción, como Arthur C. Clarke y Robert Heinlein, han contado con las catapultas electromagnéticas como dispositivos de la trama durante décadas. Incluso hoy, acelerar magnéticamente una carga útil a cientos de millas sobre la Tierra puede parecer pura ciencia ficción y, sin embargo, científicos como el Dr. James Powell y el Dr. Gordon Danby creen que será parte del futuro de los viajes espaciales. Powell y Danby inventaron conjuntamente el maglev superconductor (suspensión magnética), lo que permitió desarrollar los trenes EM actuales, y ahora quieren aplicar la tecnología en los viajes espaciales a través de su Proyecto Startram.

En la visión de Powell y Danby, las bobinas producirían un fuerte campo magnético para empujar una nave espacial o una carga útil a alta velocidad a través de millas de ferrocarril, de manera similar a lo que sucede con el proyecto de una pistola de bobina. Para lograr el impulso suficiente, la pista tendrá varios kilómetros de longitud y costará decenas de miles de millones de dólares, pero, según sus inventores, es un pequeño precio a pagar por el futuro.

2 Windjammer estelar

El Sol, como cualquier otra estrella, lanza constantemente partículas cargadas, un verdadero vendaval de protones y electrones de alta velocidad. Tal presión de radiación puede empujar contra un campo magnético y generar empuje.

Después de una década de vagar por el espacio, una nave espacial Sunjammer podría cruzar los límites lejanos de nuestro sistema solar sin desperdiciar combustible, maniobrando en campos magnéticos y gravitacionales exoplanetarios para calibrar su trayectoria. La dirección del empuje se puede ajustar cambiando la vela de acuerdo con el viento solar.

Dado que la fuerza propulsora dependería del tamaño del campo magnético, una vela solar necesitaría cientos de metros y kilómetros de material superconductor para producir su campo magnético, que se asemeja a lazos ciclópeos de alambre en lugar de los lienzos atrapavientos de la era de la navegación.

La NASA planea desplegar una vela solar en 2018 durante el estudio de sobrevuelo del Asteroid Scout.

1 Alcubierre Drive


Las ecuaciones de campo de Einstein establecen que la energía y la materia pueden curvar la malla del espacio-tiempo de la realidad. De manera especulativa, estirando la estructura del espacio detrás de una nave y contrayendo el espacio delante de ella, es posible lograr un aparente viaje FTL (más rápido que la luz). Por supuesto, sería el espacio en movimiento y no la nave, como un juego de desplazamiento, por lo que no se rompería ninguna ley relativista. Montada sobre una burbuja de deformación de ondas espaciotemporales, nuestra nave puede alcanzar velocidades muchos órdenes de magnitud mayores que las de la luz. Incluso podríamos viajar a Marte en menos de un segundo, ¡pero creo que la desaceleración sería un problema!

El impulso de Alcubierre o simplemente impulso de deformación fue propuesto por el físico mexicano Miguel Alcubierre como una solución a las ecuaciones de campo de Einstein, que establece que la energía y la materia pueden curvar la malla del espacio-tiempo. Usando un campo de masa menor que cero, el impulso de deformación haría que la estructura del espacio se retuerza y ​​se desplace.

Fuente de grabación: www.wonderslist.com

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