Motor de cohete teórico basado en la aceleración de partículas de ondas de choque de plasma

Tenga en cuenta que,

1. La ganancia de energía por ciclo es$\Delta E\propto\beta_s$con$\beta_s=v_s/c$dónde$v_s$es la velocidad del choque.
2. La escala de tiempo para la aceleración es$t_\text{acc}\propto\kappa/\beta_s^2$dónde$\kappa$es el coeficiente de difusión.
3. La escala de tiempo para el escape ¹ es$t_\text{esc}\propto t_\text{acc}\beta_s$

La principal fuente de rayos cósmicos galácticos son los remanentes de supernova (SNR) que son masivos (escalas de longitud de parsec y$\sim10^{51}$escalas de energía erg), rápido ($\beta_s\sim0.01$) y antiguo (>10k años). En estos sitios, la escala de tiempo de aceleración es de aproximadamente un mes, mientras que las escalas de tiempo de escape son de cientos a miles de años (por lo tanto, las fuentes de SNR son antiguas ).

Entonces, dado que no conocemos ninguna forma de producir y contener una onda de choque en movimiento, ni podemos esperar las escalas de tiempo necesarias para acelerar una partícula hasta que escape del acelerador, esto es completamente impráctico.

^{1. Una vez que una partícula gana suficiente energía como para que su radio de giro exceda el radio de Larmor del acelerador, no puede volver a acelerarse y escapa; cf. este comentario}

Solo para agregar a la respuesta de Kyle, ahora se cree que la aceleración de choque difusiva (DSA) es el resultado de ondas/fluctuaciones/estructuras electromagnéticas autogeneradas [por ejemplo, consulte Turner et al. , 2018 ; Wilson et al. , 2016 ]. Un resultado de esto es que las longitudes de onda/tamaños de escala de las ondas electromagnéticas/fluctuaciones/estructuras resultantes tienden a aumentar a medida que aumenta la energía de las partículas aceleradas (por ejemplo, consulte la discusión en https://physics.stackexchange.com/a/618127 /59023 ). Los tamaños de escala iniciales ya son bastante grandes en plasmas espaciales típicos., mucho más pequeño en plasmas de laboratorio donde todos los tamaños de escala son mucho más pequeños. Aun así, los tamaños de escala superarían rápidamente los del contenedor físico en el que está tratando de generar tales partículas de alta energía.

Actualmente, el mejor método que tenemos para generar artificialmente una onda de choque sin colisión es a través de la ablación con láser [por ejemplo, consulte Heuer et al. , 2020 ]. Esto tiende a requerir una tonelada de poder/energía para generar los pulsos de láser necesarios para extirpar suficiente material para generar una descarga. En el entorno de laboratorio, los choques no son un número de Mach tremendamente alto , como el de un remanente de supernova (SNR) . En general, como señala Kyle, los números de Mach altos tienden a generar partículas de mayor energía.

¿Cómo calcular la fuerza de arrastre de un motor que permite expulsar gas al 99% de la velocidad de la luz? ¿Y cuánta masa se necesita expulsar en ese caso para poder lanzar un cohete en órbita?

Basado en la cantidad de energía necesaria para generar una onda de choque sin colisión, esto no es un comienzo ya que la entrada para iniciar el choque es mayor que cualquier salida enfocada. Además, los enormes bancos de condensadores necesarios para el disparo del láser pulsado serían desagradablemente pesados, lo que también sería un fracaso (es decir, más masa = más dinero y menos opciones para las trayectorias de lanzamiento).

Finalmente, cualquier choque de ablación láser "golpearía las paredes" de la cámara antes de que las partículas tuvieran tiempo suficiente para energizarse a la energía suficiente para hacer algo útil como acelerar una nave espacial. Hay opciones mucho más eficientes como los propulsores de iones que ya están disponibles y se han utilizado en misiones como Dawn .