¿Qué (si es que hay algo) limita la eficiencia de un motor de cohete?

En primer lugar: ¡ Termodinámica !

Un cohete está transformando energía química potencial en energía cinética -> ¿Necesita más energía cinética (= más masa y/o moverse más rápido)? Así que necesitas más energía química al principio. Entonces sí, tienes razón, existe este factor "eficiencia" que significa: Cuanto más eficiente eres, más es la parte de la energía química que transformas en energía cinética. PERO (en algún momento): NO significa que pueda obtener más y más energía cinética con menos y menos combustible. Entonces, de hecho, hay un punto en el que "la eficiencia es limitada".

En realidad, la eficiencia en números siempre está entre 0 y 1. No solo en cohetes, sino en todo… como realmente en todo… apretando las teclas del teclado, tus músculos hacen trabajo, transforman la energía química (alimento y oxígeno) en movimiento, tienen una eficiencia de (no estoy seguro exactamente) 0.3. Entonces, alrededor de dos tercios de la energía necesaria es calentar tu dedo. Un automóvil está quemando (transformando) combustible (energía química) en movimiento (energía cinética), con una eficiencia de aproximadamente 0,1. Un calefactor eléctrico que transforma la energía eléctrica en calor, eficiencia cercana a 1. Golpear su escritorio para calentar la bañera, eficiencia cercana a 0. Una bombilla clásica (que transforma la energía eléctrica en luz), eficiencia aproximada a 0,05.

Así que volvamos al tema: "¿Por qué no simplemente aumentar la eficiencia?". La eficiencia de los cohetes es de aproximadamente 0,678 ( fuente en alemán ). Suena mal al principio, pero la termodinámica tiene algo que se llama " eficiencia de Carnot ", que es la eficiencia técnica teóricamente máxima para las máquinas que hacen trabajo por calor. En general, da como resultado algo entre 0,6 y 0,7... lo que hace que nuestro cohete sea bastante eficiente.

Aaaaaaand: en realidad, un montón de personas en todo el mundo están tratando de hacerlos más eficientes. Pueden obtener un porcentaje aquí y allá, pero no pueden reinventar la roncha.

Segundo: la ecuación del cohete

¿Cómo funcionan los cohetes? Preservación del impulso... Imagínese sentado en una canoa en un lago, con martillos a bordo, pero sin timones. Para llegar a la orilla, debes lanzar los martillos lo más rápido que puedas hacia atrás, para que la canoa avance. En algún momento, no puedes lanzar los martillos más rápido, así que para llegar a la orilla, necesitas más martillos.

Lo que en realidad significa: en algún momento, no puede simplemente hacer que los gases de escape de su cohete sean más rápidos (debido a la termodinámica ), por lo que debe llevar más combustible con usted en primer lugar.

Quieres hacer un recorrido más grande con tu coche: ¡Visita primero una gasolinera! Para las compras a la vuelta de la esquina, el resto de su tanque será suficiente.

Y al final, permítame una pregunta: ¿Estoy entendiendo mal su pregunta, o realmente pensó que nadie había pensado en "simplemente mejorar" los diseños de cohetes? (No soy el votante negativo, pero creo que eso es lo que ella/él podría haber pensado)

La respuesta existente es buena, pero me gustaría tocar una parte de la termodinámica: la boquilla.

Un cohete crea empuje esencialmente convirtiendo la presión (proveniente de la combustión) en la velocidad de una corriente de gas. La mayoría de los cohetes que valen la pena hacen esto con una tobera convergente-divergente que restringe el flujo de alta presión hasta que se vuelve supersónico, luego lo expande hasta que la presión cae lo suficiente como para que no valga la pena expandirlo más (porque eventualmente necesitarás un flujo muy grande). boquillas para seguir atrapando el gas en expansión; vea, por ejemplo, la diferencia entre el motor Merlin a nivel del mar y el motor Merlin Vacuum).

La química y los materiales conspiran para limitar el rendimiento razonable de la boquilla. Básicamente, cualquier gas caliente solo puede empujar tan fuerte, lo que limita la velocidad de escape del motor del cohete (y, en última instancia, su eficiencia general).

Este es un factor significativo de por qué un motor de iones puede ser mucho más eficiente que los motores de combustión: las velocidades de escape para un motor de iones pueden ser mucho más altas que las alcanzables con cualquier motor de tobera. Desafortunadamente, los motores de iones existentes actualmente no pueden generar suficiente empuje para reemplazar los motores de combustión para elevar un cohete desde la superficie de la Tierra, y los rangos de potencia requeridos para hacerlo son muchos órdenes de magnitud más allá de los diseños existentes.

Si está dispuesto a ser un poco flexible sobre lo que define como un "cohete" y embarcarse en una ciencia bastante (está bien, muy) loca, entonces hay un límite bien definido para la eficiencia. El 'cohete' más eficiente posible que puedes hacer es algo que emita luz, y que lo haga consumiendo masa con total eficiencia, de modo que toda la energía implícita en la masa se convierta en luz. La manera de hacerlo es hacer que tu cohete sea alimentado por cantidades iguales de materia y antimateria (pero aun así probablemente no puedas acercarte mucho).

Si puede hacer la aniquilación de manera completamente eficiente, de modo que todo lo que salga sean fotones, y puede organizar la vida para que todos estos fotones contribuyan a su impulso (vea las notas a continuación), entonces obtendrá esta ecuación:

Dónde$m_0$es la masa de lanzamiento,$m_f$es la masa final y$v \lt c$es la velocidad final.

Eso es lo mejor que puedes hacer: un cohete que consume masa de manera completamente eficiente y escupe luz. Aquí hay una gráfica de la relación de masa ($m_0/m_f$, la trama llama a esto 'fracción de masa', lo cual es incorrecto, lo siento) de esto para$v \in [0, 0.9]$con$v$en unidades donde$c = 1$(o, alternativamente, olvidé etiquetar el eje como$v/c$).

Por qué esto no es práctico. Bueno, hay una gran cantidad de razones por las que un sistema como este no es práctico: esta es una idea científica muy loca.

La producción y el almacenamiento de cantidades macroscópicas de antimateria es un desafío, por decirlo suavemente. No sé cuánta antimateria se ha producido alguna vez , pero es una pequeña cantidad. Almacenarlo en grandes cantidades va a ser muy difícil (realmente no tengo ni idea de cómo lo haría), y el costo de cometer un error es terrible: realmente no quiere que la energía falle en su sistema de almacenamiento de antimateria si tiene alguna cantidad macroscópica del material.

Lo del 100% de eficiencia es un problema. Si chocas un protón con un antiprotón, lo que en realidad obtienes es una lluvia de partículas inestables, que creo que eventualmente deben desintegrarse a la luz, pero solo si puedes hacer que estén cerca unas de otras durante el tiempo suficiente. Y algunos de ellos, por ejemplo, son neutrinos, que no son fáciles de contener, por decirlo suavemente.

Si chocas electrones y positrones, solo obtienes luz. Pero ahora tiene el problema de que gran parte de la luz que se produce está en forma de fotones de muy alta energía (rayos gamma) y estos son muy difíciles de reflejar de manera eficiente con cualquier tipo de espejo que pueda fabricar. Y también necesitas almacenar una gran cantidad de electrones y positrones, ya sea uniéndolos a protones/antiprotones como hidrógeno/antihidrógeno, en cuyo caso, ¿qué haces con los protones y antiprotones (que son casi toda la masa!) sobrantes, o por algún enfoque loco incluso para los estándares de la ciencia loca.

Pero, bueno, este es el límite teórico: no se puede hacer nada mejor que esto, ni siquiera en principio, con nada que pueda contar como un cohete, salvo una física radicalmente nueva.