Los motores de cohetes modernos hacen un buen trabajo al poner la tecnología en órbita, pero son completamente inadecuados para viajes espaciales largos. Por lo tanto, durante más de una docena de años, los científicos han estado trabajando en la creación de motores espaciales alternativos que podrían acelerar las naves a velocidades récord. Echemos un vistazo a siete ideas clave de esta área.
EmDrive
Para moverse, debe alejarse de algo: esta regla se considera uno de los pilares inquebrantables de la física y la astronáutica. No es tan importante de qué partir exactamente, de tierra, agua, aire o un chorro de gas, como en el caso de los motores de cohetes.
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Un experimento mental muy conocido: imagina que un astronauta fue al espacio exterior, pero el cable que lo conectaba con la nave espacial se rompió de repente y la persona comienza a volar lentamente. Todo lo que tiene es una caja de herramientas. ¿Cuáles son sus acciones? Respuesta correcta: necesita tirar las herramientas del barco. De acuerdo con la ley de conservación del impulso, la persona será arrojada del instrumento con exactamente la misma fuerza que el instrumento de la persona, por lo que gradualmente se moverá hacia el barco. Esto es propulsión a chorro, la única forma posible de moverse en el espacio vacío. Es cierto que EmDrive, como muestran los experimentos, tiene algunas posibilidades de refutar esta afirmación inquebrantable.
El creador de este motor es el ingeniero británico Roger Shaer, quien fundó su propia empresa Satellite Propulsion Research en 2001. El diseño del EmDrive es bastante extravagante y tiene forma de cubo de metal, sellado en ambos extremos. Dentro de este cubo hay un magnetrón que emite ondas electromagnéticas, lo mismo que en un microondas convencional. Y resulta ser suficiente para crear un empuje muy pequeño, pero bastante notable.
El propio autor explica el funcionamiento de su motor a través de la diferencia de presión de la radiación electromagnética en los diferentes extremos del "cubo": en el extremo estrecho es menor que en el ancho. Esto crea un empuje dirigido hacia el extremo estrecho. La posibilidad de un funcionamiento del motor de este tipo ha sido cuestionada más de una vez, pero en todos los experimentos, la instalación de Shaer muestra la presencia de empuje en la dirección prevista.
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Los experimentadores que han probado el balde de Shaer incluyen organizaciones como la NASA, la Universidad Técnica de Dresde y la Academia de Ciencias de China. La invención se probó en una variedad de condiciones, incluso en vacío, donde mostró la presencia de un empuje de 20 micronewtons.
Esto es muy poco en relación con los motores a reacción químicos. Pero, dado que el motor Shaer puede funcionar todo el tiempo que desee, ya que no necesita un suministro de combustible (las baterías solares pueden proporcionar el magnetrón para funcionar), es potencialmente capaz de acelerar las naves espaciales a velocidades tremendas, medidas como un porcentaje de la velocidad de la luz.
Para demostrar plenamente el rendimiento del motor, es necesario realizar muchas más mediciones y deshacerse de los efectos secundarios que se pueden generar, por ejemplo, por campos magnéticos externos. Sin embargo, ya se están planteando posibles explicaciones alternativas para el empuje anormal del motor Shaer, lo que, en general, viola las leyes habituales de la física.
Por ejemplo, se están proponiendo versiones de que el motor puede generar empuje debido a su interacción con un vacío físico, que a nivel cuántico tiene una energía distinta de cero y está lleno de partículas elementales virtuales que emergen y desaparecen constantemente. Quién tendrá razón al final: los autores de esta teoría, el propio Shaer u otros escépticos, lo descubriremos en un futuro próximo.
Vela solar
Como se mencionó anteriormente, la radiación electromagnética ejerce presión. Esto significa que, en teoría, se puede convertir en movimiento, por ejemplo, con la ayuda de una vela. Así como las naves de los siglos pasados atraparon el viento en sus velas, las naves espaciales del futuro atraparían el sol o cualquier otra luz estelar en sus velas.
El problema, sin embargo, es que la presión de la luz es extremadamente pequeña y disminuye al aumentar la distancia desde la fuente. Por tanto, para ser eficaz, dicha vela debe ser muy ligera y muy grande. Y esto aumenta el riesgo de destrucción de toda la estructura cuando se encuentra con un asteroide u otro objeto.
Ya se han realizado intentos de construir y lanzar barcos de vela solares al espacio: en 1993, Rusia probó una vela solar en la nave espacial Progress, y en 2010, Japón llevó a cabo pruebas con éxito en su camino a Venus. Pero ni un solo barco ha utilizado la vela como su principal fuente de aceleración. Otro proyecto, una vela eléctrica, parece algo más prometedor a este respecto.
Vela eléctrica
El sol emite no solo fotones, sino también partículas de materia cargadas eléctricamente: electrones, protones e iones. Todos ellos forman el llamado viento solar, que arrastra desde la superficie del sol alrededor de un millón de toneladas de materia por segundo.
El viento solar se extiende sobre miles de millones de kilómetros y es responsable de algunos fenómenos naturales en nuestro planeta: tormentas geomagnéticas y auroras boreales. La tierra está protegida del viento solar por su propio campo magnético.
El viento solar, como el viento del aire, es bastante adecuado para viajar, solo necesitas hacer que sople en las velas. El proyecto de la vela eléctrica, creado en 2006 por el científico finlandés Pekka Janhunen, exteriormente tiene poco en común con el solar. Este motor consta de varios cables largos y delgados, similares a los radios de una rueda sin llanta.
Gracias al cañón de electrones que emite en sentido contrario a la marcha, estos cables adquieren un potencial con carga positiva. Dado que la masa de un electrón es aproximadamente 1800 veces menor que la masa de un protón, el empuje creado por los electrones no jugará un papel fundamental. Los electrones del viento solar no son importantes para una vela así. Pero las partículas cargadas positivamente (protones y radiación alfa) serán repelidas de las cuerdas, creando así un empuje de chorro.
Aunque este empuje será unas 200 veces menor que el de una vela solar, la Agencia Espacial Europea está interesada en el proyecto. El hecho es que una vela eléctrica es mucho más fácil de diseñar, fabricar, desplegar y operar en el espacio. Además, usando la gravedad, la vela también te permite viajar a la fuente del viento estelar, y no solo lejos de ella. Y dado que la superficie de una vela de este tipo es mucho menor que la de una vela solar, es mucho menos vulnerable a los asteroides y los desechos espaciales. Quizás veamos los primeros barcos experimentales en una vela eléctrica en los próximos años.
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Motor de iones
El flujo de partículas cargadas de materia, es decir, iones, es emitido no solo por las estrellas. El gas ionizado también se puede crear artificialmente. Normalmente, las partículas de gas son eléctricamente neutras, pero cuando sus átomos o moléculas pierden electrones, se convierten en iones. En su masa total, dicho gas todavía no tiene carga eléctrica, pero sus partículas individuales se cargan, lo que significa que pueden moverse en un campo magnético.
En un motor de iones, un gas inerte (generalmente xenón) es ionizado por una corriente de electrones de alta energía. Sacan electrones de los átomos y adquieren una carga positiva. Además, los iones resultantes se aceleran en un campo electrostático a velocidades del orden de 200 km / s, que es 50 veces mayor que la tasa de salida de gas de los motores a reacción químicos. Sin embargo, los propulsores de iones modernos tienen un empuje muy pequeño, alrededor de 50-100 milinewtons. Un motor así ni siquiera podría moverse de la mesa. Pero tiene una gran ventaja.
Un gran impulso específico puede reducir significativamente el consumo de combustible en el motor. La energía obtenida de las baterías solares se utiliza para ionizar el gas, por lo que el motor de iones puede funcionar durante mucho tiempo, hasta tres años sin interrupción. Durante ese período, tendrá tiempo para acelerar la nave espacial a velocidades que los motores químicos nunca soñaron.
Los motores de iones han arado repetidamente la inmensidad del sistema solar como parte de varias misiones, pero generalmente como auxiliares y no principales. Hoy en día, como posible alternativa a los propulsores de iones, se habla cada vez más de propulsores de plasma.
Motor de plasma
Si el grado de ionización de los átomos se vuelve alto (alrededor del 99%), ese estado agregado de la materia se llama plasma. El estado de plasma solo se puede lograr a altas temperaturas, por lo tanto, el gas ionizado se calienta hasta varios millones de grados en los motores de plasma. El calentamiento se lleva a cabo utilizando una fuente de energía externa: paneles solares o, de manera más realista, un pequeño reactor nuclear.
Luego, el plasma caliente se expulsa a través de la boquilla del cohete, creando un empuje decenas de veces mayor que el de un propulsor de iones. Un ejemplo de motor de plasma es el proyecto VASIMR, que se viene desarrollando desde los años 70 del siglo pasado. A diferencia de los propulsores de iones, los propulsores de plasma aún no se han probado en el espacio, pero hay grandes esperanzas puestas en ellos. Es el motor de plasma VASIMR el que es uno de los principales candidatos para vuelos tripulados a Marte.
Motor de fusión
La gente ha estado tratando de domesticar la energía de la fusión termonuclear desde mediados del siglo XX, pero hasta ahora no han podido hacerlo. Sin embargo, la fusión termonuclear controlada sigue siendo muy atractiva, porque es una fuente de energía enorme obtenida a partir de un combustible muy barato: isótopos de helio e hidrógeno.
Por el momento, hay varios proyectos para el diseño de un motor a reacción sobre la energía de la fusión termonuclear. El más prometedor de ellos se considera un modelo basado en un reactor con confinamiento magnético de plasma. Un reactor termonuclear en dicho motor será una cámara cilíndrica sin presión de 100 a 300 metros de largo y de 1 a 3 metros de diámetro. La cámara debe alimentarse con combustible en forma de plasma a alta temperatura, que, a presión suficiente, entra en una reacción de fusión nuclear. Las bobinas del sistema magnético ubicadas alrededor de la cámara deben evitar que este plasma entre en contacto con el equipo.
La zona de reacción termonuclear está ubicada a lo largo del eje de dicho cilindro. Con la ayuda de campos magnéticos, el plasma extremadamente caliente fluye a través de la boquilla del reactor, creando un tremendo empuje, muchas veces mayor que el de los motores químicos.
Motor de antimateria
Toda la materia que nos rodea está formada por fermiones, partículas elementales con espín medio entero. Estos son, por ejemplo, quarks que forman protones y neutrones en núcleos atómicos, así como electrones. Además, cada fermión tiene su propia antipartícula. Para un electrón, esto es un positrón, para un quark, un antiquark.
Las antipartículas tienen la misma masa y el mismo giro que sus "camaradas" habituales, diferenciándose en el signo de todos los demás parámetros cuánticos. En teoría, las antipartículas son capaces de formar antimateria, pero hasta ahora no se ha registrado antimateria en ninguna parte del Universo. Para la ciencia básica, la gran pregunta es por qué no existe.
Pero en condiciones de laboratorio, puede obtener algo de antimateria. Por ejemplo, recientemente se realizó un experimento en el que se compararon las propiedades de los protones y los antiprotones que estaban almacenados en una trampa magnética.
Cuando la antimateria y la materia ordinaria se encuentran, se produce un proceso de aniquilación mutua, acompañado de una explosión de energía colosal. Entonces, si toma un kilogramo de materia y antimateria, la cantidad de energía liberada cuando se encuentren será comparable a la explosión de la "Bomba Zar", la bomba de hidrógeno más poderosa en la historia de la humanidad.
Además, una parte importante de la energía se liberará en forma de fotones de radiación electromagnética. En consecuencia, existe el deseo de utilizar esta energía para viajes espaciales creando un motor de fotones, similar a una vela solar, solo que en este caso la luz será generada por una fuente interna.
Pero para utilizar eficazmente la radiación en un motor a reacción, es necesario resolver el problema de crear un "espejo" que pueda reflejar estos fotones. Después de todo, la nave debe despegar de alguna manera para generar empuje.
Ningún material moderno simplemente no puede soportar la radiación generada en caso de tal explosión y se evaporará instantáneamente. En sus novelas de ciencia ficción, los hermanos Strugatsky resolvieron este problema creando un "reflector absoluto". En la vida real, todavía no se ha hecho nada parecido. Esta tarea, al igual que los problemas de crear una gran cantidad de antimateria y su almacenamiento a largo plazo, es un asunto de la física del futuro.
