¿Qué limita la velocidad de las sondas espaciales actualmente?

Es en parte los mismos problemas que el problema de lanzamiento. Si pones más combustible en los tanques de combustible de los cohetes, entonces aumentas la masa. Luego, para levantar ese combustible, necesita agregar un poco más de combustible para levantar ese combustible, y así sucesivamente.

Existe un problema similar con el sistema de propulsión actual en las sondas, pero antes de entrar en eso voy a explicar (muy brevemente) los viajes en el espacio para que podamos entender el problema.

Viajar en el espacio (asumiendo viajar en línea recta)

No es lo mismo viajar por el espacio que por tierra. Viajar por tierra requiere la quema constante de combustible para poder reponer la velocidad perdida por la fricción, la resistencia del aire, etc.

Viajar en el espacio no funciona de la misma manera, no requiere una combustión constante, requiere que quemes suficiente combustible para impulsar la masa a esa velocidad inicial, y luego lo suficiente para quemarse en reversa para reducir la velocidad en su destino.

(Que no es mitad y mitad, se requiere más combustible quemado para acelerar que para desacelerar, ya que la porción que desacelera tiene menos masa porque podemos descontar el combustible perdido quemado para acelerar en primer lugar).

de vuelta al problema

Bien, podríamos simplemente agregar más combustible a las sondas, pero luego nos encontramos con el mismo problema que el problema de lanzamiento, agregar combustible adicional agrega masa adicional, lo que requiere combustible adicional propio para quemar a fin de impulsar la masa aumentada a la misma velocidades que queríamos.

Así que realmente lo que queremos es un método de propulsión que no sea el proceso líquido y sólido existente.

Como puede ver aquí , la NASA ya tiene algunas ideas alternativas que quieren probar para la propulsión, las cubriré brevemente a continuación en caso de que el enlace falle.

Propulsión Térmica Nuclear

Propulsión térmica nuclear: calienta un fluido, generalmente hidrógeno, en un reactor nuclear de alta temperatura que genera empuje para mover el cohete en el espacio.

La NASA espera que este tipo de sistema de propulsión sea mucho más liviano y un método más eficiente para impulsar naves en el espacio.

Sin embargo, cada lado positivo tiene una nube y esta no es una excepción. Lo que actualmente se interpone en nuestra forma de usar este sistema es la extrema dificultad para mantener el hidrógeno en su forma líquida.

Como puede ver aquí , el hidrógeno debe mantenerse a 20 Kelvin para permanecer en forma líquida. ¡Esto propone muchos desafíos técnicos, primero para reducir la temperatura a tal nivel, luego nuevamente cuando se trata de evitar que el combustible líquido se caliente debido a las altas temperaturas del escape!

Y no se equivoque, los problemas técnicos con el uso de hidrógeno líquido no son por falta de intentos. de hecho, la idea de utilizar hidrógeno líquido como combustible ha existido desde al menos la década de 1950.

Propulsión basada en plasma

La NASA también está investigando un sistema de propulsión basado en plasma llamado proyecto VASIMR.

La idea es usar un reactor nuclear (otra vez) e hidrógeno (otra vez) para ionizar el hidrógeno y lanzarlo a través de una boquilla magnética.

Obviamente, esto es muy desafiante desde el punto de vista técnico, pero también existe el problema de que el plasma tiene que protegerse magnéticamente del hardware de la nave o causa la erosión de los electrodos en los propios motores.

(Disculpe mi falta de conocimiento de la física sobre cómo funciona realmente este bit).

Sin mencionar que también necesitaría energía para alimentar los reactores nucleares en cada diseño.

Conclusión

Entonces, en realidad, usamos sistemas de propulsión basados ​​en productos químicos porque las alternativas son tecnológicamente costosas y difíciles. Lucharemos para hacer que los sistemas de propulsión química propulsen más debido al problema del combustible que se multiplica (a menos que encontremos combustibles más eficientes). Pero realmente el mayor problema no es tanto la propulsión, ¡es la distancia!

Por ejemplo, la estación espacial actualmente nos orbita a aproximadamente 18,000 millas por hora , orbitando la tierra una vez cada 90 minutos.

La nave espacial Apolo que voló a la luna viajó más rápido que eso, a unas 24,000 millas por hora . Estos tipos de velocidad son inconcebibles para viajar en la tierra, siendo cientos de veces más rápido que cualquier avión a reacción.

Así que realmente mi argumento se basa en estos puntos, el problema del combustible, la falta de alternativas fáciles, el costo del combustible, la gran distancia.

En este momento , el límite principal es que estamos atascados usando unidades de reacción, lo que significa que tienes que gastar masa propulsora para acelerar la nave espacial. Por lo tanto, su ΔV (cambio de velocidad) total está limitado por la cantidad de propulsor que puede transportar y la eficiencia de sus motores, como se especifica en la ecuación del cohete de Tsiolkovsky.

donde MR es la relación de masa

La nave espacial no tripulada Dawn está utilizando un motor de iones con un impulso específico (I _sp ) de 3100 segundos, que actualmente es el motor en uso más eficiente que conozco. Si la nave espacial lleva su propia masa en propelente ($M_{spacecraft} = M_{propellant}$, para un MR de 2) eso significa que podemos obtener un ΔV total de ~21057 m/s. Rápido, pero no viaje interestelar rápido. Si la nave espacial lleva 9 veces su masa en propelente (MR = 10), podemos llegar hasta ~69953 m/s. Mejor, pero aún no lo suficientemente bueno para el vuelo interestelar. Para que una nave espacial similar a Dawn alcance 0,01 c (~ 3 000 000 m/s), necesitaríamos una relación de masa del orden de$5.0 * 10^{41}$. ¹

Hay un límite superior práctico a la cantidad de masa que podemos lanzar desde la superficie de la Tierra, lo que restringe la cantidad de propulsor que podemos enviar con la nave espacial.

Hay dos formas de solucionar el problema: una es acelerar la nave espacial usando radiación EM contra una vela. Hay un proyecto llamado Breakthrough Starshot que busca utilizar un banco terrestre de láseres de teravatios para acelerar una nave espacial a escala de gramos a 0,2 c (59958491 m/s) en el espacio de unos 10 minutos. También ha habido numerosas ideas de usar una vela con el viento solar del Sol.

El otro es crear una verdadera unidad sin reacción (como la unidad Alcubierre o la EmDrive ), que tiene una serie de problemas (uno de los cuales es cómo evitar la conservación del impulso y cosas por el estilo).

En pocas palabras: Eficiencia de combustible y conducción.

Hay una cantidad máxima de cambio de vector posible en función de la carga de combustible a bordo y la eficiencia de la transmisión para convertir ese combustible en un cambio de vector.

Para acelerar (que es sinónimo de cambio de vector) durante un tiempo determinado se requiere una determinada cantidad de combustible. Todo ese combustible debe estar a bordo, y no hay forma de reabastecerse de manera efectiva en vuelo.

Entonces, el combustible y la eficiencia de la transmisión se combinan para crear un vector total máximo.

Y vector total es sinónimo de velocidad.

Está limitado por cuán poderosos y densos podemos hacer láseres. Un concepto de vela láser evita los problemas del propulsor y la ecuación del cohete, por lo que ofrece la promesa de las velocidades más altas posibles. Por supuesto, no sería fácil .

El delta-V que puede alcanzar un vehículo espacial depende de la ecuación del cohete . Todo se reduce a la proporción de la masa total disponible para ser expulsada como propulsor y la velocidad de esa masa expulsada. La velocidad de la masa expulsada depende de la cantidad de energía almacenada que se puede convertir en energía cinética.

Los cohetes químicos solo tienen cierta cantidad de energía química almacenada en los reactivos (que también son la masa propulsora), lo que determina la velocidad límite del propulsor expulsado, lo que impone un límite superior en el delta-V alcanzable del vehículo.

Cambiar a un tipo diferente de propulsión en el que la masa propulsora se expulse a una velocidad mucho más alta teóricamente puede permitir que un vehículo alcance velocidades mucho más altas. Por supuesto, presupone la disponibilidad de una fuente de energía que puede almacenar mucha más energía utilizable por unidad de masa de combustible, como la nuclear, y plantea la cuestión de cómo acelerar el propulsor.

VASIMIR es un ejemplo de una tecnología de empuje que expulsa sus gases de escape a una velocidad mucho mayor que la que se puede lograr con propulsores químicos. Puede que no sea la tecnología para impulsar una sonda interestelar (varios factores parecen limitar el delta-V que podría aplicar a una nave espacial), pero alguna otra tecnología que apunta a hacer lo mismo (escape de muy alta velocidad) podría hacerlo.

Hasta cierto punto, se trata de dinero: para financiar la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías de propulsión. Pero también se reduce a la física básica.

En términos muy generales, un motor de reacción funciona arrojando energía por la parte posterior para generar movimiento hacia el frente. Ahora, de acuerdo con la física de la escuela secundaria, la energía que obtenemos al lanzar un trozo de masa (propulsor, en nuestro caso) es

Entonces, cuanto más rápido arrojamos la masa, más energía por unidad de masa obtenemos. En cohetería, esto se llama Velocidad de escape ($Ve$), con una cantidad derivada denominada Impulso Específico ($Isp$). Velocidades más altas equivalen a una mejor eficiencia, hasta la velocidad máxima absoluta de$c$, momento en el que las matemáticas de la escuela secundaria se rompen y la ecuación comienza a parecerse más a

Mientras que los fotones contienen la máxima energía cinética posible por unidad de masa ( me supera cómo los fotones tienen energía cinética sin tener masa, pero la tienen. Llamémosla simplemente masa para simplificar ), su masa es inconmensurablemente pequeña. Su linterna puede ser el vértice absoluto de la eficiencia, pero su impulso real es prácticamente nulo. Le llevaría años darse cuenta de que su linterna se ha movido, lo que nos lleva a otro problema.

Si bien su cohete linterna tardaría años en comenzar a moverse, las baterías tardarían solo unas horas en agotarse. Para darle a nuestro cohete de fotones la vida útil y el poder para hacer cualquier cosa, tendríamos que usar una pequeña planta de energía nuclear para alimentarlo. Con toda esa masa extra, nuestra ya diminuta aceleración es aplastada por cientos de toneladas de reactor.

Tecnologías como Ion-drives y VASMIR enfrentan limitaciones similares. Para depositar suficiente energía en su masa de reacción para ser eficientes , tienen que reducir el flujo de propulsor a un pequeño goteo de lo que podría ser, lo que significa que tienen un empuje muy, muy bajo . Además de eso, también requieren grandes cantidades de corriente eléctrica, lo que significa que enfrentan el mismo problema que nuestro cohete linterna de propulsión nuclear.

Tomando todo eso en consideración, el santo grial de la cohetería sería un motor de alto empuje y alta eficiencia. Solo hay unos pocos contendientes teóricos actuales para el título, como Zurbin NSWR o Project Orion . La mayoría, si no todos, tienen algunos inconvenientes bastante serios, y debido a que uno de ellos implica el uso de armas nucleares para la propulsión , es poco probable que reciba financiación en el corto plazo.