Lidiar con la gravedad en los lanzamientos espaciales no es una tarea fácil. Los cohetes convencionales son muy caros, generan muchos escombros y, en la práctica, son muy peligrosos. Afortunadamente, la ciencia no se detiene y aparecen cada vez más formas alternativas que nos prometen formas más eficientes, menos costosas y más seguras de conquistar el espacio exterior. Hoy hablaremos sobre cómo la humanidad volará al espacio en el futuro.
Pero antes de comenzar, conviene señalar que los motores a reacción químicos (CRM), que ahora se utilizan como base para todos los lanzamientos espaciales, son una herramienta crítica para el desarrollo del sector espacial, por lo que su uso continuará durante más de una docena de años hasta que se produzca encontró y, lo que es más importante, probó repetidamente una tecnología capaz de proporcionar una transición indolora a un nivel fundamentalmente nuevo de lanzamientos y vuelos espaciales.
Pero ya ahora, cuando el costo de los lanzamientos puede ascender a varios cientos de millones de dólares, queda claro que el DRH es un callejón sin salida. Tome el último Space Launch System como ejemplo. Es este sistema el que es considerado por la agencia aeroespacial de la NASA como la base para la exploración del espacio profundo. Los expertos han calculado que el costo de un lanzamiento de SLS será de unos 500 millones de dólares. Ahora que el espacio se ha convertido no solo en una cuestión de estados sino también de empresas privadas, se han comenzado a ofrecer alternativas más económicas. Por ejemplo, el lanzamiento del Falcon Heavy de SpaceX costará alrededor de $ 83 millones. Pero sigue siendo muy, muy caro. Y aún no tocamos el tema de la compatibilidad ambiental de los lanzamientos espaciales basados en el CRD, que, sin duda, causan un daño significativo al medio ambiente.
La buena noticia es que los científicos e ingenieros ya están proponiendo formas y métodos alternativos de lanzamientos espaciales, y algunos de ellos tienen el potencial de convertirse en tecnologías efectivas en las próximas décadas. Todas estas alternativas se pueden resumir en varias categorías: tipos alternativos de lanzamientos a reacción, sistemas de transporte estacionarios y dinámicos y sistemas de eyección. Por supuesto, no unen todas las ideas propuestas, pero en este artículo analizaremos las más prometedoras.
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Tipos alternativos de lanzamientos de aviones
Empuje del chorro láser
Redirección del flujo de plasma para aumentar el empuje
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Los misiles que se utilizan hoy en día requieren grandes cantidades de propulsores sólidos o líquidos, y la mayoría de las veces su alcance y efectividad están limitados por la cantidad de combustible que pueden transportar. Sin embargo, existe una opción que superará estas limitaciones en el futuro. La solución puede ser instalaciones especiales de láser que enviarán cohetes al espacio.
Los físicos rusos Yuri Rezunkov del Instituto para el Desarrollo de Instrumentos Optoelectrónicos y Alexander Schmidt del Instituto Físico-Técnico Ioffe describieron recientemente el proceso de "ablación láser", según el cual el empuje de una aeronave se generaría utilizando radiación láser generada por un dispositivo láser fuera de la nave espacial. Como resultado de la exposición a esta radiación, el material de la superficie receptora se quemará y se creará un flujo de plasma. Este flujo proporcionará el empuje necesario capaz de acelerar la nave espacial a velocidades decenas de veces mayores que la velocidad del sonido.
Si omitimos toda la naturaleza fantástica de este método, antes de crear tal sistema, será necesario resolver dos problemas: el láser en este caso debe ser increíblemente poderoso. Tan potente que literalmente puede vaporizar metal a una distancia de varios cientos de kilómetros. De ahí otro problema: este láser se puede utilizar como arma para destruir otras naves espaciales.
Lanzamientos estratosféricos y aviones espaciales
Menos conceptual y más realista parece ser el método de lanzamiento de naves espaciales con la ayuda de potentes tractores de aire de carga especiales.
¿Quién dijo que el método de Virgin Galactic solo podría usarse para el turismo espacial? La compañía planea usar su dispositivo LauncherOne como sistema de transporte para lanzar satélites compactos que pesen hasta 100 kilogramos en la órbita de la Tierra. Teniendo en cuenta la velocidad con la que se miniaturizan los sistemas espaciales ahora, la idea es muy interesante.
Otros ejemplos de un sistema de lanzamiento son la nave espacial XCOR Aerospace Lynx Mark III (en la imagen de arriba) y la nave espacial Orbital Sciences Pegasus II (en la imagen de abajo).
Una de las ventajas de los lanzamientos espaciales desde el espacio aéreo es que los cohetes no tienen que viajar a través de una atmósfera muy densa. Como resultado, la carga en el propio dispositivo disminuirá. Además, la aeronave es mucho más fácil de arrancar. Es menos susceptible a los cambios climáticos atmosféricos. Al final, la característica de tales lanzamientos abre más posibilidades en términos de escala seleccionable.
Los aviones espaciales son otra opción. Estos aviones reutilizables serán similares al transbordador retirado y al Buran, pero, a diferencia de este último, no requerirán el uso de enormes vehículos de lanzamiento para su puesta en órbita. Uno de los proyectos más prometedores y avanzados en este sentido es el avión espacial británico British Skylon (en la foto de arriba), un avión de una sola etapa para entrar en órbita. El empuje de la nave espacial será generado por dos motores a reacción, que la acelerarán a una velocidad 5 veces mayor que la velocidad del sonido y la elevarán a una altitud de casi 30 kilómetros. Sin embargo, esto es sólo el 20 por ciento de la velocidad y altitud requeridas para la caminata espacial, por lo que el avión espacial cambiará al llamado "modo cohete" después de alcanzar el techo de altitud.
Lamentablemente, aún existen muchas dificultades tecnológicas en el camino hacia la implementación de este proyecto que aún no se han resuelto. Por ejemplo, se espera que los aviones espaciales se enfrenten a un cambio no planificado en su trayectoria de ascenso debido a altas presiones dinámicas y temperaturas extremas que inevitablemente afectarán las partes más sensibles de la aeronave. En otras palabras, estos aviones espaciales pueden ser peligrosos.
Otro ejemplo de aviones espaciales en desarrollo es el Dream Chaser, desarrollado por Sierra Nevada Corporation para la agencia aeroespacial de la NASA (en la foto de arriba).
Sistemas de transporte estacionarios y dinámicos
Si no son máquinas voladoras, entonces la solución son enormes estructuras que se elevan a alturas increíbles o incluso directamente al espacio.
Por ejemplo, Geoffrey Landis, científico y escritor de ciencia ficción, propuso la idea de construir una torre gigante, cuya cima alcanzaría los límites de la atmósfera terrestre. Ubicado a unos 100 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, se puede utilizar como plataforma de lanzamiento de cohetes convencionales. A esta altitud, los cohetes prácticamente no tienen que lidiar con ningún impacto de la atmósfera terrestre.
Otra opción constructiva que ha llamado la atención de muchos representantes de las comunidades científica y pseudocientífica es el ascensor espacial. De hecho, esta idea se remonta al siglo XIX. La versión moderna propone estirar un cable de alta resistencia a una altitud de 35.400 (que está más allá de la ubicación de la mayoría de los satélites de comunicación) kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Después de realizar todos los equilibrados necesarios sobre el cable, se propone la puesta en marcha de los vehículos de transporte que operan en tracción láser con carga.
Ilustración de un ascensor espacial en Marte
De hecho, la idea de los ascensores espaciales tiene el potencial de crear una verdadera revolución en el transporte espacial hacia la órbita cercana a la Tierra. Pero será muy difícil traducir esta idea a la vida real. Pasará mucho tiempo antes de que los científicos creen un material que pueda soportar el peso de dicha estructura. Las opciones que se están considerando ahora son los nanotubos de carbono, o más bien estructuras basadas en entrelazamientos microscópicos de diamantes con nanofibras ultrafinas. Pero incluso si encontramos una manera de construir un ascensor espacial, no resolverá todos los problemas. Vibraciones peligrosas, vibraciones intensas, colisiones con satélites y desechos espaciales son solo algunas de las tareas que habrá que afrontar.
Otra alternativa propuesta son los gigantes "volantes orbitales". Los volantes son satélites giratorios con cables largos que divergen en dos direcciones diferentes, cuyos extremos entrarán en contacto con la atmósfera del planeta durante la rotación. En este caso, la velocidad de rotación de la estructura compensará parcial o completamente la velocidad orbital.
El portal de Orion's Arm explica cómo funcionan:
“En la parte inferior del cable, ubicada cerca de un planeta del tamaño de la Tierra, habrá una plataforma de atraque ubicada a una altitud de 100-300 kilómetros sobre la superficie (mientras que la longitud de los cables desde el centro del volante será de varios miles de kilómetros). Se eligió esta altura porque aquí se minimizará el efecto de la atmósfera sobre el propio "volante", así como las pérdidas gravitacionales de los transbordadores de atraque. El atraque ocurrirá a velocidades muy bajas tanto del volante de inercia como del transbordador de atraque, generalmente en el pico de la trayectoria suborbital parabólica establecida por el vehículo de lanzamiento. En este caso, el transbordador estará relativamente inmóvil en relación con el "volante" y puede ser atrapado por un gancho especial y luego tirado hacia la esclusa de atraque o plataforma de aterrizaje. Para un correcto posicionamiento en órbita, los "volantes" utilizarán propulsores ".
Dado que los volantes estarán ubicados completamente en el espacio, no anclados a la Tierra, no tendrán que experimentar el mismo estrés físico que el ascensor espacial, por lo que esta idea puede resultar más viable en última instancia.
Cuando se trata de estructuras dinámicas, Popular Mechanics describe al menos dos opciones principales:
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“Estructuras como la 'fuente espacial' y el 'bucle de Lofstrom' mantendrán su integridad estructural debido a los efectos o impulsos electrodinámicos que mueven las partes en su interior, así como la carga y los pasajeros que entran en órbita. Los rotores parecen ser un concepto más interesante. Esta idea propone la construcción de una gran estructura orbital con una correa que gira en el plano de la órbita de modo que en el punto del círculo más cercano a la Tierra, la velocidad del extremo de la correa con respecto al centro sea opuesta a la velocidad orbital. Así, el cable, pasando el mínimo, puede coger el objeto deseado, que tiene una velocidad menor que el primer cósmico, y soltarlo en el punto de máxima distancia con una velocidad que ya es mayor que el primer cósmico”.
Se verá como el "gif"
Otra alternativa al cable espacial y al ascensor es una torre inflable vertical que puede crecer de 20 a 200 kilómetros de altura. El diseño propuesto por Brendan Quinn y sus colegas se erigirá en la cima de la montaña y será perfecto para la investigación atmosférica, la instalación de equipos de radiocomunicaciones y televisión, el lanzamiento de naves espaciales y el turismo. La propia torre se creará sobre la base de varias secciones deslizantes neumáticas controladas externamente.
“La elección de una torre ayudará a evitar los problemas asociados con el ascensor espacial. Se trata de la resistencia de un material de construcción apto para trabajar en el espacio, la dificultad de producir un cable de al menos 50.000 kilómetros de largo y abordar la amenaza de meteoritos en órbita terrestre baja”, dijeron los investigadores que propusieron el diseño de la torre.
Para probar su idea, construyeron un modelo de la torre de 7 metros con seis módulos, cada uno de los cuales se basaba en tres tubos instalados alrededor de un compartimento cilíndrico lleno de aire.
Curiosamente, se puede utilizar una tecnología similar en la construcción del "muelle espacial" propuesto por John Storrs Hall. Según este concepto, se propone erigir una estructura de 100 kilómetros de altura y 300 kilómetros de longitud. Con esta configuración, el ascensor se moverá directamente al punto de lanzamiento. El mismo lanzamiento de la carga útil a la órbita se producirá con una aceleración de solo 10 g.
“Esta opción híbrida ignora las desventajas de las opciones propuestas con una torre orbital (el tamaño del muelle es mucho menor, por lo tanto, es más fácil de construir) y las dificultades que se tendrán que enfrentar con los lanzamientos electromagnéticos (la densidad y resistencia del aire a una altitud de 100 kilómetros es un millón de veces menor que en el nivel mar)”, dice Hall.
Sistemas de catapulta
Si todas las ideas propuestas para el lector medio pueden parecer completamente ciencia ficción, las siguientes están mucho más cerca de la realidad de lo que parecen a primera vista. Otra alternativa a los lanzamientos de cohetes son los sistemas de catapulta, en los que las naves espaciales se lanzarán al espacio como un cañón.
Es bastante obvio que en este caso la carga en sí tendrá que diseñarse para el impacto de fuerzas extremas. Sin embargo, los sistemas de catapulta pueden convertirse en una herramienta realmente eficaz para enviar una carga útil al espacio, donde será recogida por una nave espacial ubicada allí.
Los sistemas de catapulta se pueden dividir en tres tipos principales: eléctricos, químicos y mecánicos.
Eléctrico
Este tipo incluye cañones de riel, o catapultas electromagnéticas, que operan según el principio de aceleradores electromagnéticos. Durante el lanzamiento, la nave espacial se colocará sobre rieles de guía especiales y se acelerará bruscamente utilizando un campo magnético. En este caso, la fuerza de aceleración será suficiente para sacar el dispositivo de la atmósfera terrestre.
Sin embargo, la característica de diseño de tales sistemas los hará muy masivos y costosos de construir. Además, estos sistemas consumirán una gran cantidad de electricidad. A pesar de su poder, las catapultas electromagnéticas todavía tendrán que enfrentar algunos de los problemas asociados con la gravedad y la densa atmósfera de la Tierra. Si se usan, es más probable en planetas con menor gravedad y una atmósfera enrarecida.
Químico
Propone lanzar objetos al espacio utilizando enormes cañones alimentados por un gas combustible como el hidrógeno. Sin embargo, al igual que con cualquier sistema de expulsión, la carga enviada al espacio tendrá que experimentar un aumento de cargas durante el lanzamiento. Además, estos sistemas no se pueden utilizar para enviar personas al espacio. Además, se tendría que utilizar equipo adicional que permitiera lanzar carga, como satélites compactos, a una órbita permanente. De lo contrario, el objeto lanzado, habiendo ganado la altitud máxima, simplemente volverá a caer a la Tierra.
Proyecto HARP (Proyecto de Investigación de Gran Altitud). Este cañón disparó un proyectil de cohete Martlet-2 a una altitud de 180 kilómetros. El récord aún se mantiene
El desarrollo lógico del proyecto HARP fue el proyecto SHARP (Super High Altitude Research Project). En los años 90 del siglo pasado, investigadores del Lawrence Livermore Lab realizaron una demostración del lanzamiento de proyectiles a una velocidad de 3 kilómetros por segundo (aunque no en altura, sino en tierra). Al final, los científicos llegaron a la conclusión de que la construcción de una muestra funcional real de tal arma requeriría al menos mil millones de dólares. La imagen también se vio reforzada por el hecho de que los científicos no lograron alcanzar la velocidad de proyectil prevista de 7 kilómetros por segundo.
Mecánico
Las pistolas mecánicas pueden servir como una alternativa a las armas químicas y electromagnéticas. Es cierto que no es del todo correcto llamar armas a tales sistemas. Más bien, es una especie de tirachinas. Un ejemplo es el proyecto Slingatron de HyperV Technologies Corp. El sistema en sí es una estructura hueca en espiral en el interior. Un objeto colocado dentro de la espiral se acelera al girar toda la estructura alrededor de un punto fijo.
En teoría, el slingatron es capaz de proporcionar la aceleración necesaria. Sin embargo, como señalan los propios desarrolladores, el sistema no es adecuado para lanzar personas y grandes cargas a la órbita. Pero este método podría usarse para enviar pequeñas cargas al espacio, como suministros de agua, combustible y materiales de construcción.
Una vista de tamaño completo del slingatron se vería así
¿Cómo será realmente el futuro?
Es extremadamente difícil predecir cuál será la respuesta a esta pregunta. Los descubrimientos tecnológicos inesperados y los efectos creados por ellos pueden llevar al hecho de que todas las opciones para los lanzamientos espaciales sin cohetes consideradas hoy estarán a la par con la eficiencia. Ahora bien, este no es el caso, como se puede ver al menos en la tabla comparativa aquí.
Tomemos como ejemplo el potencial de la tecnología de ensamblaje molecular. Una vez que dominemos esta área, ya no necesitamos lanzar nada al espacio. Simplemente capturaremos asteroides en el sistema solar y crearemos a partir de ellos (o más bien los materiales útiles que contienen) lo que queramos en el espacio. Lo más interesante es que el progreso en esta dirección ya es visible hoy. Por ejemplo, el astronauta de la NASA Barry Wilmore necesitó una vez una llave ajustable compacta. Al parecer, ¿cuál es el problema: ir a la tienda de herramientas más cercana? ¡Solo la tienda de herramientas más cercana en ese momento no estaba junto a Wilmore, ya que el astronauta estaba a bordo de la Estación Espacial Internacional!La NASA salió de la situación con gracia: envió un correo electrónico a la ISS con un diagrama de la clave requerida y le ofreció a Wilmore imprimirlo él mismo en una impresora 3D a bordo. Este es solo un ejemplo que muestra que en un tiempo relativamente corto no necesitaremos lanzar nada al espacio. Todo se creará ya en su lugar.
En cuanto a los recursos necesarios, esto también dejará de ser un problema. El cinturón de asteroides está lleno del material necesario: su volumen es casi la mitad de la masa de nuestra Luna. Algún día llegaremos a la conclusión de que todo un enjambre de sondas espaciales similares a "Philae" simplemente aterrizará en el próximo asteroide o meteorito y producirá recursos minerales en ellos. La NASA quiere realizar la primera misión de este tipo en 2020. Se planea atrapar un pequeño asteroide, ponerlo en una órbita lunar estable y allí aterrizar en él astronautas, quienes pueden estudiar el adoquín espacial e incluso recolectar muestras interesantes de su suelo.
Llevar gente al espacio es un problema diferente, especialmente si se tiene en cuenta que en el futuro hay planes para pasar al envío masivo de personas al espacio. Algunas de las ideas propuestas, como el ascensor espacial, podrían funcionar. Pero solo si no estamos hablando de la conquista del espacio profundo. Por tanto, en este asunto tendremos que depender durante mucho tiempo de los tradicionales lanzamientos de cohetes. Sus ideas ya se expresan tanto en el ámbito estatal como en el privado. Tomemos de nuevo al mismo Elon Musk con su proyecto de colonización de Marte.
También tenemos que tener en cuenta el hecho de que el cuerpo humano no está realmente diseñado para una estancia muy larga en el espacio. Por tanto, hasta que no lleguemos a tecnologías eficaces que permitan crear gravedad artificial, los robots pueden convertirse en una solución parcial a este problema. Los robots pueden enviarse al espacio y controlarse de forma remota desde la Tierra utilizando realidad virtual o aumentada.
Los robots tienen una oportunidad real de ser la clave para comenzar nuestra exploración del espacio profundo. Es muy posible que en un futuro más lejano aprendamos a digitalizar nuestro cerebro y a transmitir esta información a supercomputadoras a bordo de estaciones espaciales remotas, donde se cargará en una variedad de avatares robóticos, con los que abriremos camino hacia las lejanas fronteras del espacio.
NIKOLAY KHIZHNYAK
