Disparar balas diminutas de alta velocidad a una nave espacial podría acelerar el viaje a las estrellas : ScienceAlert


Hoy, varias agencias espaciales están investigando ideas de propulsión de vanguardia que permitirán tránsitos rápidos a otros cuerpos en el Sistema Solar.

Estos incluyen los conceptos de propulsión nuclear-térmica o nuclear-eléctrica (NTP/NEP) de la NASA que podrían permitir tiempos de tránsito a Marte en 100 días (o incluso 45) y una nave espacial china de propulsión nuclear que podría explorar Neptuno y su luna más grande, Tritón.

Si bien estas y otras ideas podrían permitir la exploración interplanetaria, ir más allá del Sistema Solar presenta algunos desafíos importantes.

Como exploramos en un artículo anterior, se necesitarían naves espaciales que utilicen propulsión convencional entre 19 000 y 81 000 años para llegar incluso a la estrella más cercana, Próxima Centauri (a 4,25 años luz de la Tierra). Con este fin, los ingenieros han estado investigando propuestas para naves espaciales no tripuladas que dependen de haces de energía dirigida (láseres) para acelerar velas ligeras a una fracción de la velocidad de la luz.

Una nueva idea propuesta por investigadores de UCLA prevé un giro en la idea de vela de haz: un concepto de haz de gránulos que podría acelerar una nave espacial de 1 tonelada hasta el borde del Sistema Solar en menos de 20 años.

El concepto, titulado “Propulsión de haz de pellets para la exploración espacial innovadora”, fue propuesto por Artur Davoyan, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA).

La propuesta fue una de las catorce propuestas elegidas por el programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA como parte de sus selecciones de 2023, que otorgó un total de US $ 175,000 en subvenciones para desarrollar aún más las tecnologías. La propuesta de Davoyan se basa en trabajos recientes con propulsión de energía dirigida (DEP) y tecnología de velas ligeras para realizar una lente gravitacional solar.

Como dijo el Prof. Davoyan a Universe Today por correo electrónico, el problema con las naves espaciales es que todavía están en deuda con la Ecuación del Cohete:

“Todas las naves espaciales y los cohetes actuales vuelan expandiendo el combustible. Cuanto más rápido se desecha el combustible, más eficiente es el cohete. Sin embargo, hay una cantidad limitada de combustible que podemos llevar a bordo. Como resultado, la velocidad de una nave espacial puede ser acelerado a es limitado. Este límite fundamental está dictado por la Ecuación de Rocket. Las limitaciones de la Ecuación de Rocket se traducen en una exploración espacial relativamente lenta y costosa. Tales misiones como la Lente Gravitacional Solar no son factibles con las naves espaciales actuales”.

La Lente Gravitacional Solar (SGL) es una propuesta revolucionaria que sería el telescopio más poderoso jamás concebido. Los ejemplos incluyen la lente de gravedad solar, que se seleccionó en 2020 para el desarrollo NIAC Fase III.

El concepto se basa en un fenómeno predicho por la Teoría de la Relatividad General de Einstein conocida como Lente Gravitacional, donde los objetos masivos alteran la curvatura del espacio-tiempo, amplificando la luz de los objetos en el fondo. Esta técnica permite a los astrónomos estudiar objetos distantes con mayor resolución y precisión.

Al colocar una nave espacial en la heliopausa (~500 AU del Sol), los astrónomos podrían estudiar exoplanetas y objetos distantes con la resolución de un espejo primario que mide alrededor de 100 km (62 millas) de diámetro. El desafío es desarrollar un sistema de propulsión que pueda llevar la nave espacial a esta distancia en un tiempo razonable.

Hasta la fecha, las únicas naves espaciales que han llegado al espacio interestelar han sido las sondas Voyager 1 y 2, que se lanzaron en 1977 y actualmente se encuentran a unas 159 y 132 UA del Sol (respectivamente).

Cuando salió del Sistema Solar, la sonda Voyager 1 viajaba a una velocidad récord de unos 17 km/s (38 028 mph), o 3,6 AU al año. Sin embargo, esta sonda aún tardó 35 años en alcanzar el límite entre el viento solar del Sol y el medio interestelar (la heliopausa).

A su velocidad actual, la Voyager 1 tardará más de 40.000 años en pasar volando junto a otro sistema estelar: AC+79 3888, una estrella oscura en la constelación de la Osa Menor. Por esta razón, los científicos están investigando la propulsión de energía dirigida (DE) para acelerar las velas ligeras, que podrían llegar a otro sistema estelar en cuestión de décadas.

Como explicó el Prof. Davoyan, este método ofrece algunas ventajas distintas, pero también tiene sus inconvenientes:

“La navegación con láser, a diferencia de las naves espaciales y los cohetes convencionales, no requiere combustible a bordo para acelerar. Aquí la aceleración proviene de un láser que empuja la nave espacial por presión de radiación. En principio, se pueden alcanzar velocidades cercanas a la velocidad de la luz con este método. Sin embargo, los rayos láser divergen a largas distancias, lo que significa que solo hay un rango de distancia limitado en el que se puede acelerar una nave espacial.Esta limitación de la navegación láser lleva a la necesidad de tener potencias láser exorbitantemente altas, gigavatios y, en algunas propuestas, teravatios. , o impone una restricción a la masa de la nave espacial”.

Los ejemplos del concepto de rayo láser incluyen el Proyecto Libélula, un estudio de factibilidad del Instituto de Estudios Interestelares (i4is) para una misión que podría alcanzar un sistema estelar cercano dentro de un siglo.

Luego está Breakthrough Starshot, que propone una matriz de láser de 100 gigavatios (Gw) que aceleraría nanocrafts a escala de gramo (Starchip).

A una velocidad máxima de 161 millones de km (100 millones de millas) o el 20 por ciento de la velocidad de la luz, Starshot podrá llegar a Alpha Centauri en unos 20 años. Inspirándose en estos conceptos, el Prof. Davoyan y sus colegas proponen un giro novedoso a la idea: un concepto de viga de gránulos.

Este concepto de misión podría servir como una misión precursora interestelar de tránsito rápido, como Starshot y Dragonfly.

Pero para sus propósitos, Davoyan y su equipo examinaron un sistema de perdigones que impulsaría una carga útil de ~900 kg (1 tonelada estadounidense) a una distancia de 500 AU en menos de 20 años. Dijo Davoyan:

“En nuestro caso, el rayo que empuja la nave espacial está hecho de diminutos gránulos, por lo tanto [we call it] el haz de perdigones. Cada bolita se acelera a velocidades muy altas mediante ablación con láser, y luego las bolitas llevan su impulso para empujar la nave espacial.

A diferencia de un rayo láser, los gránulos no divergen tan rápido, lo que nos permite acelerar una nave espacial más pesada. Los gránulos, al ser mucho más pesados ​​que los fotones, tienen más impulso y pueden transferir una fuerza mayor a una nave espacial”.

Además, el pequeño tamaño y la poca masa de los gránulos significan que pueden ser propulsados ​​por rayos láser de potencia relativamente baja. En general, Davoyan y sus colegas estiman que una nave espacial de 1 tonelada podría acelerarse a velocidades de hasta ~30 AU al año usando un rayo láser de 10 megavatios (Mw).

Para el esfuerzo de la Fase I, demostrarán la viabilidad del concepto del haz de gránulos a través del modelado detallado de los diferentes subsistemas y experimentos de prueba de concepto. También explorarán la utilidad del sistema pellet-beam para misiones interestelares que podrían explorar estrellas vecinas en el transcurso de nuestras vidas.

“El haz de perdigones tiene como objetivo transformar la forma en que se explora el espacio profundo al permitir misiones de tránsito rápido a destinos lejanos”, dijo Davoyan. “Con el haz de gránulos, los planetas exteriores se pueden alcanzar en menos de un año, 100 AU en unos tres años y la lente de gravedad solar a 500 AU en unos 15 años. Es importante destacar que, a diferencia de otros conceptos, el haz de gránulos puede impulsar naves espaciales pesadas. (~1 tonelada), lo que aumenta sustancialmente el alcance de las posibles misiones”.

Si se realiza, una nave espacial SGL permitiría a los astrónomos obtener imágenes directas de exoplanetas vecinos (como Proxima b) con resolución de múltiples píxeles y obtener espectros de sus atmósferas. Estas observaciones ofrecerían evidencia directa de atmósferas, firmas biológicas y posiblemente incluso firmas tecnológicas.

De esta manera, la misma tecnología que permite a los astrónomos obtener imágenes directas de los exoplanetas y estudiarlos con gran detalle también permitiría que las misiones interestelares los exploren directamente.

Este artículo fue publicado originalmente por Universe Today. Lea el artículo original.