¿Podría la energía cinética del viento solar del Sol impulsar un sistema de propulsión de iones para una nave espacial interplanetaria?

Me pregunto si la energía cinética del viento solar del Sol podría energizar iones pesados ​​hasta el punto en que producirían suficiente impulso para impulsar una nave espacial interplanetaria.

Para ayudar a ilustrar cómo podría funcionar este sistema basado en iones, he creado el siguiente dibujo conceptual:

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Este dibujo muestra una tubería larga (1 kilómetro de largo) que está conectada a dos tuberías adicionales (longitud no especificada) a través de un accesorio de tubería en Y. Los tres tubos tienen 3 pies de diámetro. La tubería principal está abierta en un extremo y este extremo se mantendrá apuntando directamente al Sol para permitir que el viento solar siga fluyendo hacia la tubería larga. Los otros dos tubos están abiertos en el área de unión del tubo en Y y están sellados en sus otros extremos.

Idealmente, los iones pesados ​​necesarios para este sistema podrían proporcionarse utilizando dos bloques de hielo (agua). Se podría usar un dispositivo mecánico para insertar un bloque de hielo en cada tubería, que se colocaría de nuevo hacia el extremo sellado de cada tubería.

Creo que lo que debería suceder entonces es que los elementos de alta velocidad que se mueven dentro del viento solar rebotarán en la superficie angulada del accesorio de tubería en Y y luego entrarán en las dos tuberías. Estos elementos chocarán con el hielo, calentándolo y causando que pequeños trozos de hielo comiencen a desprenderse de él. Estos pequeños trozos de hielo se dirigirán hacia el área de unión de la tubería en Y.

Una vez que estos pequeños trozos de hielo entren en el viento solar que se aproxima, se descompondrán en iones de hidrógeno y átomos de oxígeno, y luego el viento solar empujará estos dos elementos hacia la superficie en ángulo del tubo en Y en el que rebotarán. fuera y dentro de las dos tuberías.

El viento solar debe transferir la energía cinética y el impulso a estos iones de hidrógeno y átomos de oxígeno, y cuando estos dos elementos impacten con el bloque de hielo, transferirán su impulso ganado al hielo y, por lo tanto, a la tubería que contiene el hielo. a la nave espacial haciendo que sea impulsada hacia adelante. Todos los iones calentados que rebotan dentro de las dos tuberías seguirán provocando que los iones de hidrógeno y los átomos de oxígeno sigan rebotando y eventualmente regresarán al área de unión de la tubería en Y, y el proceso de transferencia de energía cinética/impulso se repetirá.

No creo que los iones de hidrógeno ni los átomos de oxígeno puedan viajar todo el camino por la tubería de 1 km de largo y hacia el espacio exterior porque el viento solar que fluye en la tubería debería frenarlos hasta detenerse y luego invertir su dirección de regreso hacia el área de unión de la tubería en Y. Esto sería ideal porque no se perdería propelente (hielo).

(Nota: realmente no tengo idea de cuánto tiempo tendría que ser la tubería para evitar que los iones de agua se filtren al espacio exterior, solo estoy pensando que 1 kilómetro sería una buena longitud. Tampoco tengo idea de cuánto tiempo los dos otras tuberías tendrían que serlo).

¿Podría la energía cinética del viento solar del Sol impulsar un sistema de propulsión de iones para una nave espacial interplanetaria?

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Un medio alternativo de producir empuje sería colocar un bloque de hielo cerca del extremo abierto de la tubería larga, y como la exposición al viento solar hace que el hielo se sublime en una nube de iones de hidrógeno y átomos de oxígeno, el viento solar entonces acelere por la tubería y luego rebotará en la superficie en ángulo de la unión de la tubería en Y, transfiriendo energía cinética/impulso a la nave espacial.

Puede valer la pena mirar en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail#Electric_solar_wind_sail y especialmente la parte sobre el viento solar que tiene tres órdenes de magnitud menos en fuerza que la presión de radiación. Este diseño puede funcionar en términos de capturar el viento solar, pero será mucho menos eficiente (más pesado y sin usar luz) que una vela clásica. Sospeche que la longitud del tubo terminaría siendo mucho más larga que 1 km para que la presión del viento solar supere la presión del gas de la evaporación del hielo.

Respuestas (1)

¿Este motor produciría algún empuje? Sí, pero no de la manera que imaginas. El hielo en el vacío se sublima en vapor, lo que creará una pequeña presión (del orden de unos pocos pascales, apenas suficiente para medir). A medida que el vapor escapa por el tubo y sale al espacio, producirá un ligero empuje en la dirección opuesta. El hecho de que el sol incida sobre el motor producirá algo de calor, lo que acelera la sublimación y aumenta el empuje.

Ahora, incluso este pequeño empujón puede ser útil. Las sondas de largo alcance pueden utilizar impulsos diminutos pero continuos para orientarse, y pueden obtener mucha velocidad de esa manera. Sin embargo, hay formas mucho más eficientes de generar ese empuje que levantar las toneladas y toneladas de hielo que requeriría una sonda de este tipo.

La presión del viento solar es una fuerza tan pequeña (promedio de 1-6 nanoPascales a 1AU, según Wikipedia) que no tendrá mucho efecto en el funcionamiento de este motor. Además, la cantidad de energía transferida sería la misma que si se tratara de una simple placa plana del mismo tamaño que la sección transversal del motor.

Ese es un análisis interesante de esta idea. Creo que este sistema sería más eficiente con la nave espacial comenzando desde una posición de 0,5 AU porque la densidad de las partículas del viento solar sería mayor allí.
@user255577 Eso es cierto, pero incluso a esa distancia, la presión de la luz sería solo de 4 a 36 nanoPascales, unas 1 000 000 000 veces menos que la presión producida por el hielo simple sublimado.