Aceleración en el espacio

La mejor manera de conservar la masa es usar energía externa para acelerar la nave.

Robert L Forward había diseñado una vela de luz de varias etapas que permitía a las naves acelerar y luego, separando partes de la vela y usándolas para reflejar la energía láser de regreso a la nave estelar, desacelerar en la estrella objetivo. La desventaja es que las velas de luz impulsadas por láser siguen siendo bastante masivas, y la cantidad de energía láser necesaria para impulsar la nave estelar se mide en Terravatios . Construir el lanzador láser por sí solo es una tarea enorme (normalmente descrita como la construcción de un anillo de satélites de energía solar y láseres en órbita polar alrededor de Mercurio), gigantescas lentes de enfoque de más de mil kilómetros de diámetro en el sistema solar exterior, y luego el nave estelar misma.

Dado que una nave de generación seguramente será más grande que una nave estelar de exploración como la que proponía Froward, deberá escalar las cosas considerablemente. (Siendo realistas, si puede acelerar una nave al tipo de velocidades que Forward está considerando, entonces no es realmente una nave de generación, pero dado que puede llevar siglos construir colonias en el nuevo sistema estelar, una construcción del tamaño de una nave de generación es probablemente Necesario como base para vivir y trabajar hasta que se cree un nuevo espacio para colonias NextBigFuture publicó una interesante especulación sobre " Tabby's Star " que sugería que un espejo en órbita del tamaño de la órbita de las lunas alrededor de la Tierra podría impulsar monstruos de velas de luz.

Si una vela de luz no es lo tuyo, entonces tal vez se podría usar un impulsor de masa gigantesca para acelerar la nave estelar. La desaceleración se puede manejar por varios medios, incluido un cohete, una vela magnética o el despliegue de una vela de luz para usar la energía de la estrella objetivo. Una vez más. estamos hablando de un dispositivo monstruoso. Marshal Savage conceptualizó algo así en su libro " The Millenial Project ", describiendo un sistema que se extendía por todo el sistema solar . Una razón para hacerlo tan grande es mantener la aceleración a un límite razonable (3g es lo mejor que puede soportar un ser humano sin protección, los pilotos entrenados con trajes G pueden soportar hasta 9g, para una aceleración sostenida más allá de ese límite, las personas podrían tener que ser sumergidos en fluido y tienen todos sus espacios internos llenos de fluorocarbonos oxigenados).

Una vez más, el uso de altas aceleraciones iniciales permite que la nave cruce la distancia interestelar en décadas en lugar de siglos, por lo que la ventaja de una nave grande es como refugio y espacio de trabajo al llegar; Es posible que generaciones de colonos deban permanecer a bordo de la nave hasta que se terraforme un planeta colonia.

• Velas de luz , posiblemente impulsadas por un sistema de lanzamiento láser.
• Variantes como una vela magnética .
• Estatorreactores Bussard .
• Acepte que necesitará combustible o masa de reacción para la aceleración/desaceleración y planifíquelo. Tome un combustible muy eficiente como la antimateria y/o acepte un vuelo largo.

Hagas lo que hagas, una solución de ciencia dura tendrá una carga útil minúscula y un precio astronómico.

Un cohete acelera en el espacio . Cantidad de movimiento del gas caliente que sale por la parte de atrás = cantidad de movimiento hacia adelante. Cambie la tasa de quemado y cambiará el impulso (es decir, acelerará). Además, la masa del cohete cambia a medida que se quema el combustible, por lo que a una velocidad de combustión constante, el cohete acelera naturalmente.

La cantidad de movimiento de un sistema cerrado siempre se conserva a menos que haya una fuerza externa.

Considere la masa del cohete junto con su combustible en$t_0$ser$M_0\,.$Deje que el gas sea expulsado en$\dot m\,.$Por lo tanto, la masa del cohete junto con su remanente de combustible después de un incremento infinitesimal$\mathrm dt$se da como

$$M(t_0+ \mathrm dt) = M_0 - \dot m~\mathrm dt\,.$$

Momento lineal en el tiempo$t$es$(M_0-\dot m~\mathrm(t-t_0) )\mathbf v\,.$

Aplicando la conservación del momento lineal, obtenemos

$$\begin{align}(M-\dot m~\mathrm dt)\mathbf v_\textrm{rocket w.r.t. ground} + (\dot m~\mathrm dt)\mathbf v_\textrm{gas w.r.t. ground} &= \mathbf 0\\ \implies(M-\mathrm dM)(\mathbf v+ \mathrm d\mathbf v) + \mathrm dM(\mathbf v+ \mathrm d\mathbf v-\mathrm v_\textrm{gas w.r.t. rocket}) & = \mathbf 0\\ \implies \mathrm d\mathbf v &= \frac{\mathrm dM~\mathbf u}{M-\mathrm dM}\\ \implies \dot{\mathbf v } &= \frac{\dot m\mathbf u}{M_0-\dot m t} \,,\end{align}$$ dónde $\mathbf u$es la velocidad del gas con respecto al cohete; en la derivación, se han despreciado los productos de cantidades infinitesimales.

Puedes acelerar antes de la parte interestelar de la misión. Esto podría hacerse con cohetes impulsores como muchas misiones del mundo real, o podría hacerse con un remolcador espacial (que en realidad es solo una variación de un cohete impulsor). También puede ser elegante y usar algún tipo de configuración de cañón de riel, con imanes o láseres o lo que sea montado en estaciones en órbita en el sistema solar de salida y cada estación agrega un poco más de impulso a la nave.

Sea cual sea el método que utilices, la nave se desplazará por el espacio hasta llegar a su destino. Si es la primera nave en llegar, probablemente tenga que usar uno o más cohetes para entrar en órbita planetaria y finalmente aterrizar ^. De lo contrario, no necesita usar ningún impulso importante en el camino, aunque, como señala Michael Kjörling, es probable que desee un poco de impulso para hacer correcciones de rumbo en el camino ² . Si no es el primer barco en llegar, los barcos anteriores podrían tener el mismo tipo de configuraciones sofisticadas para reducir la velocidad del barco, pero requerirán muchos recursos para construir, y es probable que no existan hasta que lleguen muchos barcos y se establezcan en el nuevo sistema estelar.

Dicho esto, tu nave no puede tener una configuración completamente cerrada. La energía EM se filtrará al espacio, además la entropía dice que cada vez que tu ciclo de vida da vueltas, no tienes tanta energía extra. Por lo tanto, necesita una fuente de energía que mantenga la nave caliente, alimente las plantas, etc. durante la duración de su viaje, aunque un lote de combustible nuclear de tamaño decente debería ser suficiente dependiendo del tamaño de la nave y la tripulación.

La otra consideración es que llegará más rápido si sigue acelerando hasta la mitad del camino. Esto significa que necesita mucho más combustible para acelerar, luego aún más combustible para desacelerar, y aún más combustible para sacar todo ese combustible del sistema solar, e incluso más combustible para sacar todo eso de la superficie del planeta de origen. Será mucho más costoso, pero menos tiempo en tránsito significa menos oportunidades de fallas y menos generaciones viviendo en el barco.

_{¹ Creo que técnicamente podrías usar una vela de luz gigante para frenar una vez que llegues al otro extremo, pero mi intuición es que no hay suficiente aceleración allí para reducir la velocidad a la que te gustaría atravesar el espacio interestelar. Sin embargo, el artículo de wikipedia menciona una forma hipotética de impulsar una nave espacial a la nube de Oort interna (alrededor de 0,8 al de la Tierra) en 30 años, por lo que se podría usar una tecnología similar para llegar a Próxima Centauri (alrededor de 4,2 al de la Tierra) en un período de tiempo razonable. sin utilizar cohetes.}

_{² Pequeños errores en la velocidad al comienzo del viaje podrían hacer que se pierda por completo el otro sistema estelar si no se tiene en cuenta. Como se ve en la respuesta de Brendan a otra pregunta , incluso los vuelos a la luna hicieron un par de pequeñas correcciones de rumbo en el camino, y eso es aproximadamente 100 millones de veces más cerca que el sistema estelar más cercano.}