¿Se podría usar el hielo lunar para alimentar un jetpack a vapor para EVA en el espacio o la exploración a gran altitud en la luna?

Para el lanzamiento, no. Para MMU en órbita, seguro.

Ha habido diseños para vehículos de ascenso lunar que usan vapor, pero requieren una planta de energía nuclear para obtener una TWR (relación de empuje a peso) decente. Una mochila simplemente no tendría la energía para calentar el agua lo suficiente con cualquier tecnología que conozcamos.

Pero en órbita es diferente. Puedo imaginar una mochila llena de agua que se usa para beber, refrescarse y empujar. También puedo imaginar un sistema que desvía el agua de enfriamiento hacia una boquilla que la calienta internamente hasta convertirla en vapor a alta temperatura, tal vez usando láseres o alguna otra transferencia de energía realmente rápida. Luego, el vapor se expulsa por la boquilla para el empuje. Esto no compite con los cohetes químicos, sino con el tipo de propulsores de gas frío que se usan para las maniobras de los astronautas.

Es posible que el sistema no sea terriblemente eficiente, pero eso se compensaría utilizando recursos de agua lunares baratos y teniendo un líquido que proporcione bebidas, refrigeración y necesidades de propulsor.

La ventaja de esto sobre otros propulsores de gas frío sería puramente económica, ya que los propulsores tradicionales utilizan productos químicos como el xenón y el nitrógeno, que están muy agotados en la Luna y tendrían que enviarse desde la Tierra a un costo mucho mayor. Es una cantidad trivial para las misiones actuales de la NASA que rara vez usan EVA y que ya cuestan grandes cantidades de dinero, pero en un futuro con astronautas haciendo trabajo EVA en órbita lunar constantemente, el agua lunar podría ser exactamente lo que querrían usar, incluso si es mucho menos eficiente.

Aquí hay un artículo interesante que muestra los resultados de la aceleración del vapor de agua para su uso en un propulsor:

Rendimiento de propulsores de plasma pulsado alimentados con gas que utilizan vapor de agua como propulsor

Procesar hielo lunar para este uso no debería ser difícil. Solo necesitaría destilarlo para eliminar las impurezas.

Desafortunadamente, los cohetes de vapor no serían prácticos porque no son muy eficientes.

No sé cuánto sabes sobre la propulsión de cohetes, así que comenzaré con una discusión sobre una de las métricas más importantes: la velocidad de escape , la velocidad del gas que sale de la tobera del motor. Cuanto mayor sea esa velocidad, generalmente más eficiente será el motor. Hay otras consideraciones, para estar seguro. Por ejemplo, si un motor que produce 500 Newtons (~110 lb) de empuje tiene una masa de 100 kg, ¡eso no es muy eficiente en términos de masa!

El empuje producido por un motor es directamente proporcional a la velocidad de escape$V_e$y el caudal másico ($\dot{m}$), que es la masa de propulsor que entra (y sale) del motor por segundo:

Puedes ver eso como$V_e$aumenta, más empuje obtiene de una tasa dada de uso de propulsor. O, para un empuje dado que necesita, como el empuje requerido para levantarlo de la superficie, cuanto mayor sea el$V_e$cuanto menor sea la tasa de uso de propulsor requerida. Y eso es importante.

(Aparte: en lugar de la velocidad de escape, los ingenieros de cohetes generalmente se refieren al impulso específico , que es la velocidad de escape dividida por la aceleración gravitacional en la superficie de la Tierra)

Por el término motores de cohetes de "vapor" me refiero a cohetes que expulsan vapor de sus toberas después de calentarlo por medios tales como calentamiento solar o calentamiento eléctrico o algo similar, no por combustión química directa. Hago esta distinción porque lo que salió de los motores principales del transbordador espacial fue vapor, pero fue creado por combustión química directa en las cámaras de combustión de los motores. Esos motores eran muy eficientes, con velocidades de escape muy altas. Las velocidades de escape de los motores de cohetes de vapor son mucho más bajas.

¿Por qué los motores del transbordador espacial eran tan eficientes cuando los motores de los cohetes de vapor no lo son? ¡ Es esa velocidad de escape ! Y la velocidad de escape es un resultado directo de las altas temperaturas en la cámara: para un gas dado que sale de la boquilla (vapor, en este caso), cuanto mayor sea la temperatura de la cámara, más rápido puede hacer que el escape se vaya. En la Luna, con concentradores solares o calentadores eléctricos, es posible que el vapor alcance varios cientos de °C. ¡Los motores principales del transbordador espacial funcionaron a una temperatura de cámara de ~3300 °C! Por eso eran tan eficientes.

¿Por qué la eficiencia sería una preocupación?

Cuanto más eficiente, menos propulsor utilizará. Esto tiene varias ventajas, tales como: su equipo personal de cohetes podrá funcionar con tanques más pequeños, lo que lo hará menos difícil de manejar; y su operación de extracción de agua y su planta de producción pueden ser más pequeñas.

Existen múltiples problemas de ingeniería con las máquinas de vapor. Por un lado, cuando calienta el vapor a varios cientos de °C, a menos que lleve consigo una fuente de calor, ese vapor se enfría debido a la pérdida de calor a través de las paredes del tanque y se vuelve menos eficiente. Si tiene un buen aislamiento ese enfriamiento va lento; con un aislamiento no tan bueno, puede desaparecer rápidamente. Las fuentes de calor pueden ser pesadas y voluminosas. Si va a tener una infraestructura fija para calentar el vapor (¿llámela estación de carga?), una vez que despega y se separa de esa infraestructura, tiene una cantidad finita de tiempo para terminar su tarea y volver a él. Si te quedas fuera demasiado tiempo, incluso sentado en la superficie en algún lugar, el vapor podría enfriarse demasiado para producir el empuje necesario, ¡y luego te quedas atascado! Otra es que la máquina de vapor es un ejemplo de lo que se llama un "propulsor de gas frío : no tienen por qué estar muy calientes porque sus temperaturas de licuefacción son realmente bajas y la condensación en una tobera no supondrá un problema importante, no son tan reactivos como el agua, etc. (Pero no hay mucho de esos en la luna. Podría ser mejor usar O$_2$extraído de rocas lunares, a pesar de su reactividad.)

La eficiencia también es deseable porque hay una cantidad finita de agua en la Luna . Las estimaciones van desde 500 millones hasta un par de miles de millones de toneladas métricas, lo que parece mucho. Pero si lo usa de manera que lo disperse, su infraestructura de producción de agua debe dimensionarse para reemplazarlo y, eventualmente, ese recurso desaparecerá . Los motores de cohetes cuyo escape es vapor dispersan agua, la gran mayoría de la cual se pierde en el espacio. Si va a usar el agua de una manera que la disperse, es mejor usarla de la manera más eficiente. Al menos, hasta que puedas extraer del cinturón de asteroides una fuente de agua más eficiente que extraerla del pozo de gravedad de la Tierra.

Si bien recoger hielo y ponerlo en el sistema de soporte del traje espacial sería útil como una forma de mantener fresco un traje espacial (¿Los trajes que se usan en Marte perderán kilogramos de "agua prescindible" cada vez que se usan? ), su uso como El propulsor es bastante limitado.

Para flotar sobre la superficie, la fuerza es, digamos, 120 kg x 9,8 m/s ² x 1/6 o aproximadamente 400 Newtons. Obtienes eso de$v_{ex} \dot{m}$y gaste digamos 0.1 kg por segundo, necesitaría una velocidad de escape de 4000 m / s, lo que parece bastante difícil de obtener de una máquina de vapor. Requeriría una gran cantidad de energía; probablemente no podrías almacenarlo, tendrías que volar con un reflector solar gigante.

Y a 0,1 kg/s solo podrías hacerlo durante unos minutos.

Así que no, no creo que haya una solución práctica aquí usando hielo como fuente de propulsión para un jet pack alimentado por vapor y energía solar, ¡aunque es genial pensar en ello!

• ¿Se podría usar el vapor como una fuente de energía eficiente para una nave espacial?
• ¿Es posible energizar un cohete de vapor lo suficiente como para ir al espacio?
• ¿Por qué el Deep Space Industries Prospector 1 usa propulsor de agua en lugar de hidracina?

En una nota más positiva que las otras respuestas, lo que podría hacer es utilizar la energía solar relativamente abundante para derretir, luego usar la electrólisis para proporcionarle hidrógeno y oxígeno, que es bien conocido y entendido como combustible para cohetes.

El mayor defecto de esa idea es que la mayor parte de la energía solar no se usaría en la electrólisis, sino en la licuefacción de los productos para su almacenamiento; almacenar hidrógeno gaseoso no es realmente práctico en este momento.

Para un gran empuje, tienes que generar mucho vapor rápidamente. La calefacción eléctrica no es práctica. El calentamiento químico funciona: se quema hidrógeno para generar vapor, como lo hicieron los motores principales del transbordador espacial. Un reactor nuclear muy caliente y de alta potencia podría funcionar.

Mucha gente está trabajando con vapor para sistemas pequeños y de bajo empuje. Para un empuje bajo, la electricidad es una buena fuente de energía. Incluso es posible calentar eléctricamente el vapor a temperaturas de plasma para obtener un impulso específico más alto. Bueno para ajustar órbitas, pero no para empujar contra la gravedad.

https://spacenews.com/water-propulsion-technologies-picking-up-steam/

Es muy poco práctico. Los trajes espaciales y las naves espaciales necesitan refrigeración para evitar el sobrecalentamiento de sus ocupantes. Almacenar o generar calor es contraproducente.