¿Se podría usar el calor de fricción del aerofrenado para impulsar la propulsión?

Siempre se ha pensado en el aerofrenado como una forma de desacelerar económicamente una nave espacial antes del aterrizaje o la inserción en órbita. Estoy preguntando aquí si podría usarse para acelerar una nave espacial.

Al pasar cerca de un planeta masivo, como Júpiter, una nave espacial que busca la máxima velocidad mientras se dirige hacia el exterior disfruta de dos beneficios y un problema. Los beneficios son la asistencia gravitacional y el efecto Oberth de disparar sus motores en el periapsis. El inconveniente es la resistencia de la atmósfera si uno se acerca demasiado.

¿Podría usarse el calor de fricción del aerofrenado en una atmósfera para encender un sistema de propulsión, de cualquier tipo, que transforme el calor externo en una rápida eyección de masa? Los motores de cohetes usan oxidantes para crear químicamente calor que expulsa hidrógeno a alta velocidad. ¿Podría el oxígeno, que representa la gran mayoría de la masa de combustible, ser reemplazado por el calor de fricción al pasar a través de una atmósfera planetaria? De alguna manera transfiriendo el calor del escudo a algún tipo de mecanismo de aceleración de hidrógeno. Vendría con la ventaja de que sucede cuando el efecto Oberth es mayor. ¿Y sería útil para encender algún tipo de impulsor térmico de fisión a corto plazo?

El meteoro de Chelyabinsk produjo una explosión de unos 500 kilotones de TNT cuando entró en la atmósfera terrestre. ¿Podría ese tipo de efecto aprovecharse y usarse para acelerar sustancialmente una nave espacial a través de una atmósfera?

Could the oxygen, which represents the large majority of fuel mass, be replaced by the friction heat from passing through a planetary atmosphere?¿Estás realmente sugiriendo sustituir el oxidante con energía térmica?
@Federico Bueno, estoy preguntando, no sugiriendo seriamente. Pero si. Utilizar una atmósfera como fósforo de fricción para calentar el hidrógeno expulsado para propulsar la nave espacial.
Mi problema con su pregunta es su uso de "cámara de combustión": si elimina el oxidante, no hay combustión, sin importar la cantidad de calor que bombee en el sistema.
@Federico: En los motores NTR tampoco hay combustión, solo el propulsor sobrecalentado por un reactor nuclear.

Respuestas (2)

¿Se puede hacer? Creo que sí. ¿Tiene algún sentido? Creo que no.

El concepto de un cohete térmico no químico no es nuevo. Otros tipos de tales cohetes serían un cohete térmico nuclear o un resistojet. Ambos funcionan en principio calentando un fluido y luego expulsándolo, tal como el concepto que sugieres. El fluido puede ser cualquier cosa, pero el hidrógeno es mejor en términos de ISP.

Entonces, ¿cómo sería un caso de uso de su cohete? Obviamente, no intentarías usarlo para escapar de la órbita terrestre, porque la energía que se disipa en el reingreso es solo la energía de movimiento que pones en tu nave espacial en primer lugar. Además, la mayor parte de la energía no se transfiere a la nave espacial, sino que permanece en la atmósfera (si no recuerdo mal, fue alrededor del 0,2 % que entró en la nave espacial).

Pero, como decías, tal vez quieras usar esta energía para volar una maniobra en el sistema joviano. Cuando ingresa al sistema, tiene velocidad de escape, por lo que desea arrojar algo de esa energía. En este caso, al aerofrenar en Júpiter (puede que no sea inteligente por otras razones), sí, puede encontrar algo de calor, y ese calor, en teoría, puede usarse como energía para cambios de rumbo posteriores. Podría, por ejemplo, presurizar una gran cantidad de hidrógeno, luego usarlo para enfriar un escudo térmico y luego liberar el hidrógeno para el empuje.

Este sería un diseño muy malo. Tendrías que almacenar una gran cantidad de hidrógeno presurizado en algún lugar, porque no quieres encender tu propulsor de inmediato, mientras aún estés en Júpiter. Quieres tener propulsión horas, días o años más tarde. Esto hace que sus tanques sean enormemente pesados. Y ese es el menor de tus problemas.

Para obtener cualquier tipo de ISP decente, necesitaría calentar su hidrógeno a miles de kelvin. Por lo tanto, no sería un refrigerante efectivo. En realidad, de alguna manera tendría que enfriar activamente su tanque de almacenamiento, porque no hay material en el mundo que pueda resistir las temperaturas necesarias para que un gas sea un propulsor de cohete efectivo.

E incluso eso ignora el mayor defecto de este concepto, que la energía ni siquiera es la mayor preocupación en la propulsión de naves espaciales, es el impulso. Hay muchas fuentes de energía disponibles, incluso en el espacio exterior. Hay generadores termoeléctricos de radioisótopos, paneles solares, reacciones químicas, incluso reactores nucleares. La parte complicada es usar esta energía para expulsar un fluido hacia atrás a la mayor velocidad posible (léase: ISP), de modo que, de acuerdo con el balance de impulso, su nave espacial obtenga el mayor impulso hacia adelante. En este sentido, no hay nada mejor que los propulsores de iones, y su concepto funcionaría peor que el propulsor más simple, el resistojet. Este es un propulsor que no hace nada más que calentar algo (cualquier cosa en realidad: hidrógeno, agua, caca, lo que sea) eléctricamente para expulsarlo a través de una boquilla. Así como tu idea,

Por lo tanto, incluso si fuera posible recuperar algo de energía del aerofrenado, no creo que pueda ser una parte viable de ningún sistema de propulsión.

Para elegir un detalle en su respuesta: "no quiere encender su propulsor de inmediato, mientras aún está en Júpiter" ¿Por qué no? El bono de Oberth es el más grande que hay.
@LocalFluff El objetivo del aerofrenado es perder velocidad, no ganarla. La energía del escudo térmico es solo una parte de tu propia energía de movimiento. Lo que sugieres sería como soplar tu propia vela.
Pero también se trata de explotar (encender) la energía química (o tal vez nuclear de fisión) de la masa que experimenta el calentamiento por fricción atmosférica. El meteoro de Chelyabinsk de unas 13 toneladas provocó una explosión de 500 kilo toneladas de TNT. Si un meteoroide aleatorio puede convertir su masa aleatoria de escombros en 10.000 veces su masa de explosivos de alta potencia por fricción en una atmósfera, ¿por qué una nave espacial no podría beneficiarse de un proceso similar?
@LocalFluff Nuevamente: la energía que puede usar es justo lo que pone. Menos en realidad. 99,8% menos. Entonces, ¿qué posible uso sacarías de esto?
Convertir la energía química almacenada en la masa en propulsión a medida que la masa se calienta por fricción. Como calentar hidrógeno sin necesidad de oxígeno. Esa es mi idea básica.
@LocalFluff En primer lugar, debes poner esa energía en la nave espacial de alguna manera. ¿Por qué no usar cualquier fuente que haya usado para eso como propulsor, considerando que su enfoque tiene, en el mejor de los casos, 0.2% de eficiencia?

El problema fundamental está en la ley de conservación de la energía. Toda la energía que podría gastar en la propulsión obtenida de esa manera proviene de una fuente singular: la energía cinética de su nave, frenando contra la atmósfera. No extraerá más energía de la que está perdiendo, ya que no puede recolectarla con una eficiencia razonable a medida que se genera.

Puede ayudarse con un oxidante, o ahorrar un cierto porcentaje de la energía de descenso para un ascenso consecutivo si desea ingresar a la órbita de Júpiter y luego salir de ella, pero en la forma actual que lo ha presentado, es un perpetuum móvil aerodinámico . (imagina que en lugar de impulsarte fuera de la atmósfera, ingresas en una órbita a través de la atmósfera y de alguna manera creas todo el calor sin disminuir la velocidad, solo manteniendo la velocidad).

Sin embargo, podría haber una manera. Ni ahora ni pronto, posiblemente dentro de un par de siglos. Puede extraer más energía del hidrógeno puro de la que gasta, pero debe gastar mucha , y no hay sólidos que puedan sobrevivir a este orden de temperaturas involucradas.

Cree una "entrada de aire" magnética, a partir de un campo magnético potente. Comprimir el hidrógeno entrante en plasma sobrecalentado. Hágalo tan caliente que experimente una fusión nuclear, convirtiéndose en helio y gastando mucha energía en el proceso. En resumen, un Bussard Ramjet que está destinado a gigantes gaseosos en lugar de medios interplanetarios. Esto funcionaría, pero la tarea de ingeniería detrás de dar forma a un campo magnético de este tipo hace que mi cabeza dé vueltas.

¿Ni siquiera una explosión en el aire de 13 toneladas de hidrógeno como si fueran 500.000 toneladas de TNT podría ayudar a una nave espacial? Esa es más masa que la que transporta el buque portacontenedores más grande, químicamente almacenada en un modesto meteoroide de 17 metros de tamaño, repentinamente encendido por la fricción atmosférica.
@LocalFluff: ¿De dónde viene la energía de ese estallido en el aire? Rastrearlo hasta la fuente: ¿qué le dio tal poder explosivo? ¿Qué pasó con el hidrógeno para que pasara de ser un gas común a tan superexplosivo?
La energía proviene de la masa, como lo hace todo el combustible para cohetes. Pero sin necesidad de oxígeno y otros procesos de combustión. ¿De dónde sacó el meteorito de Chelyabinsk sus 500 kilotones?
Me resulta difícil imaginar un escenario en el que tienes un motor de fusión, pero quieres hacerlo volar a través de un gigante gaseoso para obtener hidrógeno comprimido, incluso si fuera técnicamente posible.
"¿De dónde sacó el meteorito de Chelyabinsk sus 500 kilotones?" Las mismas fuentes de las que cualquier objeto celeste obtiene su energía. La misma pregunta que "de dónde obtiene la luna su energía". Fue allí cuando se formó el sistema solar.
@Rikki-Tikki-Tavi ¿De dónde viene la energía del Sol? De su masa bajo presión extrema. (Y escribí mal las toneladas y los kilotones aquí. Chelyabinsk tenía una masa de 13 kilotones e hizo una explosión de TNT de 500 kilotones. Pero tal vez una nave espacial optimizada podría funcionar mejor que eso que cualquier montón de escombros al azar).
@LocalFluff: La única forma en que la energía puede provenir de la masa es a través de la fusión y descomposición nuclear, y este no es el caso de los meteoritos. En su caso, toda la energía es primero la energía potencial de entrar en el pozo de gravedad de la Tierra, convertida luego en energía cinética, 1 / 2 metro v 2 - la masa no cambia, por lo que la energía proviene de la rápida caída de la velocidad. Los 500kT de Chelyabinsk eran toda energía del aerofrenado bólido, PERDIENDO VELOCIDAD. Si reunieras toda esa energía, en el mejor de los casos podrías acelerarla exactamente a la velocidad con la que entró.
@ Rikki-Tikki-Tavi: Muchos asteroides fríos se agrupan en nuestra Luna, y los maria lunares son esencialmente cuencas de lava solidificadas, el centro de la Luna aún líquido. ¿Qué hizo que los asteroides fríos fueran tan calientes?
...y al final, permítanme usar una analogía con el automóvil: ¿Puede tomar la energía de los frenos del automóvil de alguna manera para hacer que el automóvil vaya más rápido en lugar de reducir la velocidad cuando frena?
¿Se podría usar el calor de fricción del aerofrenado para impulsar la propulsión?
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