¿Podría una nave espacial "cargarse" con energía cinética en lugar de tener que ser propulsada?

En teoría, sí.

Consulte Lanzamiento espacial sin cohetes en Wikipedia para ver ejemplos. (Estos están basados ​​en tierra, pero algunos de los conceptos podrían adaptarse a un sistema en órbita)

Sin embargo, debido a las altas velocidades necesarias para una nave espacial, las estructuras necesarias para soportar dicho lanzamiento serían enormes. Por ejemplo, si quieres alcanzar una velocidad de 10 km/s, y estás dispuesto a soportar una aceleración de 5 g, un acelerador lineal tendría 10 km de largo; una estructura circular o giratoria equivalente tendría que tener un radio de al menos 20 km.

Para un diseño en órbita, primero tendría que poner esta estructura en órbita, lo que sería una gran inversión.

Las estructuras giratorias tienen un costo adicional, ya que también debe proporcionar la energía de rotación para la estructura. (Y no querrá hacer esto a través de cohetes en los extremos de la estructura, ya que entonces tendría que acelerar el combustible a la velocidad de rotación, lo que significa que todavía está sujeto a la tiranía de la ecuación del cohete).

Hay muchos esquemas para transferir el momento angular de una cosa a otra, pero es difícil encontrar un esquema para explotar los recursos de la Tierra mejor que el combustible para cohetes (la densidad de energía del almacenamiento de energía cinética es muy baja en comparación con la densidad de energía del cohete). combustible - es comparable a las baterías). Podrías 'soltar' rocas desde la luna (en realidad lanzarlas con un impulsor de masa) y luego transferir ese impulso usando una correa a una carga útil que sube desde la Tierra. El trozo de roca lunar se ralentiza para que no golpee como una bomba de fusión, y la carga procedente de la Tierra alcanza la velocidad suficiente para llegar a la Luna. El problema con el uso de energía eléctrica es el problema del 'lugar para pararse'

“Dadme un lugar donde pararme y moveré toda la Tierra” — Arquímedes.

Un motor debe montarse en algo para mover otra cosa. Y sea lo que sea que esté montado, recibirá una fuerza igual y opuesta. Esto es cierto ya sea que use un motor giratorio o un acelerador lineal. Un conductor de masa se lanzaría hacia la Tierra con tanta seguridad como lanza cargas útiles lejos de la Tierra. ¿Contra qué vas a empujar para liberar la energía almacenada o emitida? Este es el desafío de convertir la energía emitida desde la Tierra en energía cinética.

Sin embargo, es posible imaginar un sistema que debería funcionar. En principio, podría construir una honda que use un volante pesado, acoplado a un conjunto de cables de pluma de husillo. A medida que gira el volante, la pluma gira en la dirección opuesta y arrastra el cable y cualquier carga útil adjunta. Gíralo a la velocidad adecuada y funcionará exactamente como una honda.

La pluma y el cable serían relativamente más largos en realidad

A medida que la carga útil gira alrededor del volante, orbitarán su centro de masa común gracias a que están unidos por el cable. No estoy seguro de cuál sería exactamente la dinámica, ya que es muy difícil visualizar la dinámica en microgravedad y vacío, pero creo que debería ser posible aumentar gradualmente la velocidad angular del sistema: el volante en una dirección, la carga útil en el otra dirección. Es posible que obtenga algunas oscilaciones desagradables, pero existen soluciones potenciales para eso.

Una vez que el sistema haya alcanzado la velocidad suficiente, la nave espacial podría liberarse y, para un cable lo suficientemente largo, la mayor parte de ese momento angular se convertiría en un momento lineal, arrojando la carga útil al espacio a una velocidad que depende de la longitud del cable y el ángulo. impulso impartido a la rueda.

Pero hay algunos problemas.

En primer lugar, como se señaló, el volante y el barco estaban 'orbitando' entre sí atados por el cable, cuando se suelta el barco, el conjunto de la eslinga se aleja volando en la dirección opuesta. La rapidez depende de la masa relativa del barco y del conjunto de la eslinga. Esto no siempre tiene que ser un problema, ya que permitiría que el volante cambie de órbita. Otra forma de resolverlo es hacer girar dos cargas útiles a la vez, una a cada lado, lo que permitiría que el volante permanezca quieto y reduzca significativamente los requisitos de masa para la estabilidad. Solo necesita tener dos cosas que deben ir en direcciones opuestas (pero una podría usar un giro de gravedad alrededor de la Tierra).

El segundo problema es descargar el volante, porque simplemente no puedes seguir descargando más momento angular en él porque explotaría. Pero lo que puede hacer es conectar otra carga útil al gancho y luego frenar el volante, eso transferiría el impulso del volante que gira rápidamente a la carga útil. Esto significaría que el sistema haría girar la carga útil primero en el sentido de las agujas del reloj, luego en el sentido contrario a las agujas del reloj, necesitando solo energía eléctrica para girar o frenar el volante (en este caso, no es posible el frenado regenerativo; es el problema del "lugar para pararse", todo la energía vertida en el sistema termina como energía cinética de la(s) carga(s) útil(es).

El tercer problema es, por supuesto, el problema del 'lugar para pararse', ¿dónde coloca el motor que hace girar el volante? Básicamente, el volante y el husillo tienen que "empujarse" uno contra el otro. Por lo tanto, puede colocar los electroimanes y los circuitos de conducción en el volante o en el husillo, lo que sea más conveniente.

Sin embargo, hay otro problema con esta idea. Eso es proporcionar energía al motor mientras las dos partes del sistema giran a miles de rpm: ¡no hay un punto estacionario para conectar nada! Si el volante es enorme, por lo que no necesita girar muy rápido, entonces esto sería fácil, ya que podría montar paneles solares en él (o receptores para la energía emitida). O si la pluma y el cable son muy largos, por lo que no gira muy rápido, entonces podría transmitir energía al eje, que no se moverá mucho. La botavara es, en el fondo, una estructura de compresión, por lo que sería pesado y costoso alargarla (aunque una botavara larga tendría otras ventajas). Entonces, idealmente, usaría un volante pesado, lo que en la práctica probablemente significaría un asteroide capturado, preferiblemente uno de hierro y níquel,

Si el sistema está estabilizado en órbita haciendo que lance dos cargas útiles a la vez en direcciones opuestas, entonces se podría colocar un satélite de energía cerca y retransmitir la energía emitida desde la Tierra, el satélite cercano podría rastrear fácilmente tanto las estaciones de haces de tierra como la pequeña energía. receptores en la eslinga giratoria.

También se debe tener en cuenta que todo el análisis también podría realizarse en un acelerador lineal. Al igual que con una eslinga giratoria para estabilizar la órbita, sería necesario lanzar una carga útil igual en la dirección opuesta. Esto puede parecer un desperdicio, pero sería más barato lanzar una nave espacial de 1 tonelada y 1 tonelada de roca en LEO, que una nave espacial de 1 tonelada y 2 toneladas de combustible para cohetes. Tener que lanzar cosas en la dirección opuesta, por lo tanto, no es un factor decisivo, siempre que el controlador de masa proporcione más velocidad que la masa equivalente de combustible para cohetes. Un acelerador lineal no tendría que preocuparse por la rotación, lo cual sería excelente, pero probablemente tendría que ser más masivo que el cabestrillo equivalente, necesitaría volantes (o superconductores) para el almacenamiento de energía equivalente a los volantes en el cabestrillo, Y,