¿Cuál podría ser una vía viable de investigación de propulsión con el objetivo de la misión delta-V al norte de 100 km/s?

Esta pregunta se inspiró en algunos comentarios míos que dejé en una respuesta aquí:

¿Es mejor desarrollar cohetes más potentes en lugar de buscar y desarrollar nuevas tecnologías?

y así, a su vez, tanto la pregunta del OP sobre cómo apuntar una carrera de investigación (presumiblemente) hacia el desarrollo de tecnologías mejoradas para la propulsión espacial como la respuesta y los comentarios a esa pregunta que sugería que no necesariamente teníamos que ir tan lejos como inter - viaje estelar , y con nueva física, y que la interplanetaria mejorada aún sería muy buena, y posible con "física existente solamente", lo que me llevó a señalar que todavía puede haber problemas incluso con el viaje interplanetario si lo desea para ser lo suficientemente rápido que terminó en preguntas que probablemente merecen un hilo propio y aquí está.

En particular, tenía curiosidad sobre qué tipo de tecnología podría ser necesaria si, en lugar de viajes interestelares, vamos a limitarnos a viajes interplanetarios rápidos pero con un tiempo de tránsito máximo de 30 megasegundos (**) (un poco menos de una Tierra). año, o medio año marciano) para llegar al menos hasta Plutón (*), a unos 6500 Gm de distancia del Sol, aunque en los comentarios se dejó espacio para visualizar con más detalle un escenario quizás un poco más suave de tránsito a Marte con un tiempo de viaje promedio de 2 Ms (~23 d), con una distancia promedio de 225 Gm (a modo de comparación, las misiones actuales promedian alrededor de 20 Ms (0,65 años), por lo que el objetivo es hacer que el tránsito sea 10 veces más rápido).

Y di algunos cálculos que involucran dividir eso en una fase de aceleración constante de 500 ks, una fase de crucero de 1 Ms y una fase de desaceleración constante de 500 ks para terminar con la llegada a Marte. A partir de la geometría simple de las áreas bajo las curvas, se puede ver que si uno hace que el tiempo total de aceleración/desaceleración sea igual al tiempo de crucero,$t_c$, entonces la distancia que se recorre en función del tiempo de crucero y la velocidad de crucero$v_c$es

que se puede invertir para encontrar$v_c$como una función de$t_c$y una distancia de gol$D_\mathrm{goal}$, que si tomamos como 225 Gm y un$t_c$de 1 ms da un$v_c$de 150 km/s como sea necesario. Tenga en cuenta que esto es bastante aproximado ya que excluye los efectos gravitacionales en el Sistema Solar; me estoy aproximando como un tiro directo ya que estamos muy por encima de las velocidades astrodinámicas habituales. Dado que tiene que acelerar y reducir la velocidad, eso significa un presupuesto de misión total de 300 km/s de delta-V para uno de esos tránsitos, y una aceleración de$0.30\ \mathrm{m/s^2}$o sobre$0.03\ \mathrm{gee}$.

Y además, si imagina que se propulsa una nave de 100 Mg (megagramos, lo mismo que toneladas), eso significa que se necesitarán unos 30 kN de empuje continuo, o 3 toneladas de equivalente gravitatorio, durante un período de 500 kilosegundos, el doble, sin tener en cuenta para cualquier uso de combustible para cohetes involucrado.

Si quisiéramos establecer el objetivo de desarrollar una nave espacial capaz de eso, ¿cuál sería la opción más viable que un investigador putativo podría intentar para contribuir a ello? Diablos, incluso descartando el objetivo de 300 km/s, ¿qué tal solo 100 km/s? Claramente, por la tiranía de la ecuación de los cohetes, los cohetes químicos no funcionarán, pero 30 kN, aunque mucho menos empuje que un CR, también es mucho más empuje que muchas alternativas propuestas, por ejemplo, motores iónicos y velas ligeras.

Como ejemplo de ese último punto, para sacar 30 kN de una vela ligera, se necesita una potencia incidente por$F = \frac{P}{c}$de este modo$P = cF$de alrededor de 9 TW, o 9000 GW. A una constante solar de aproximadamente$1\ \mathrm{kW/m^2}$que se convierte$1\ \mathrm{GW/km^2}$, tu necesitas un$9000\ \mathrm{km^2}$vela ligera, un poco más grande que el tamaño del estado de Delaware en los EE. UU. y, por lo tanto, claramente un proyecto de ingeniería colosal (¿cuál es la palabra sobre que sea viable lanzarlo en algún momento durante el próximo siglo / 3 Gs, o incluso solo la vida útil restante de un estudiante universitario aspirante o principiante de edad típica de alrededor de 18 años (570 Ms) en la actualidad, ¿suponiendo que no haya avances radicales en la longevidad?) e incluso si usa energía transmitida para reducir el tamaño de la vela, se podría usar una matriz de 9 TW para interestelar misiones de sonda no tripuladas y, por lo tanto, ya estamos en el rango de superposición con los viajes interestelares, derrotando al 100% la idea de concentrarnos en uno sobre el otro.

Por supuesto, podríamos relajar el tiempo, pero aún queremos que sea significativamente más rápido, como en multiplicadores de números enteros de velocidad mayor que 1 al menos, que las misiones químicas existentes.

Entonces, con eso en mente, mi pregunta final es, y escalando aún más a un punto de velocidad más pequeño: ¿ existe algún camino de investigación factible para obtener, digamos, una misión delta-vee de al menos 100 km/s o 50 km/s? ¿Velocidad de crucero con un solo combustible (o incluso energía externa), con quizás un tiempo de subida y bajada de 1 Ms (XXX), para una embarcación capaz de transportar humanos?

NOTAS:

(*) SÍ, soy consciente de que la definición "oficial" de un planeta lo excluye, para mí es un planeta, estoy con muchos en el equipo de New Horizons en eso, y si eso significa que debemos admitir más al "club" como Ceres, Eris, etc. para mantener la contundencia, entonces cuantos más planetas, mejor, ponme en la picota todo lo que quieras :g:

(**) 1 Ms, 1 000 000 s, equivale a 11 días y 49,6 kilosegundos.

(XXX) Se supone que debe ser 1 Ms cada uno , para aumento/disminución individual , para este punto de control de tecnología, así que de nuevo, más relajado, en lugar de los 0,5 Ms en el escenario más óptimo.