¿Son factibles los sistemas de propulsión puramente electromagnéticos?

Excluyendo los "sistemas pasivos", como una vela ligera acelerada desde un láser basado en la Tierra, ¿alguna vez se ha considerado seriamente la propulsión de fotones para los motores de naves estelares?

Sí. Vea la página de cohetes atómicos sobre cohetes de fotones . El clásico cohete de fotones es un propulsor de antimateria impulsado por rayos gamma. Impulsiones similares aparecen esporádicamente en la ciencia ficción. Por ejemplo, los cohetes personales utilizados por los extraterrestres en El robo de Júpiter de Donald Moffitt son impulsores de fotones alimentados por conversión total de materia-energía.

Teniendo en cuenta el tiempo que lleva y la cantidad de combustible requerida, ¿hay alguna forma de que un reactor de fisión nuclear ordinario colocado en el foco de un plato parabólico en la parte trasera de una nave estelar lo alimente a la estrella más cercana usando radiación de calor como propulsor?

Seguro. Durante un tiempo suficientemente largo, no necesita mucho empuje para alcanzar velocidades muy altas.

Si no es esto, ¿hay algún diseño viable?

Si está utilizando un reactor de fisión de todos modos, podría considerar un cohete de fragmentos de fisión , que le brinda una mejor relación potencia-empuje que un cohete de fotones puros.

El problema con todas esas ciencias marginales es que eventualmente una de ellas se queda y se vuelve real. Si terminamos construyendo viajes interestelares, es una apuesta segura que la física de 2020 diga que el motor que usamos era imposible, al igual que la física de 1850 dijo que la dilatación del tiempo de los objetos en movimiento rápido era imposible.

Dicho esto, creo que hay uno que es factible dentro de la ciencia del futuro cercano: un estatorreactor Brussard.

Si puede capturar el medio interestelar y alejarlo de usted usando un acelerador de partículas, ese empuje es suficiente para marcar la diferencia. El medio interestelar es un 70 % de hidrógeno gaseoso y unas 10^6 moléculas por cm^3. Eso es 10^-21 kg por cm^3, o 10^-15 por m^3. Una ventosa de 10 m² montada en la parte delantera de un barco puede recoger unos pocos microgramos cada kilómetro de viaje.

Combine esa fuente infinita de partículas libres con tecnología como este único chip que puede acelerar una partícula a 0,94c , y obtendrá unos pocos N de aceleración libre por cada kilómetro de avance.

Sí, no es una batalla de guerra de las galaxias con peleas de perros agudas, pero eso podría llevar una nave de generación a un sistema estelar cercano.

La página de Atomic Rockets sobre impulsores de fotones transmite que, con una eficiencia perfecta en la conversión de la energía del reactor en un haz de rayos gamma cotejado (no sucede; habrá calor residual, dispersión...), se necesitan trescientos megavatios de energía para producir un newtonde empuje. A menos que desee que su nave espacial del tamaño de un edificio acelere con menos de una millonésima de ge, los reactores de fisión están fuera de la ventana, al igual que la mayoría de las concepciones modernas de reactores de fusión. La única forma realmente eficiente de convertir masa en energía en la escala necesaria para este tipo de impulso es una reacción de materia-antimateria; Los cohetes de propulsión de fotones propuestos utilizan grandes tanques de antimateria como combustible. Dado que actualmente no existe una forma factible de producir grandes cantidades de antimateria, las agencias espaciales no han considerado seriamente los cohetes de fotones.

Sí. Uso de propulsión electrodinámica.

https://www.scientificamerican.com/article/kilometer-long-space-tether-tests-fuel-free-propulsion/

La propulsión electrodinámica se basa en una atadura electrodinámica cargada durante mucho tiempo . La atadura es cargada por la nave espacial y, al interactuar con los campos magnéticos en el espacio, puede generar propulsión. Todavía cuesta energía, pero no hay masa de reacción ni nada que arrojar detrás de la nave espacial, solo la interacción de campos cargados. Ahora hay naves espaciales que operan usando este principio.

https://www.scientificamerican.com/article/kilometer-long-space-tether-tests-fuel-free-propulsion/

“En otras palabras, es el velero del espacio”, dice Enrico Lorenzini, profesor de ingeniería de gestión energética en la Universidad de Padova en Italia, que no participa en la misión TEPCE. Pero en lugar del viento, la tecnología de atadura electrodinámica se mueve gracias a las leyes físicas que gobiernan los campos eléctricos y magnéticos. Una atadura en la ionosfera de la Tierra, una capa atmosférica superior llena de partículas cargadas, como electrones libres e iones positivos, puede recolectar electrones en un extremo y emitirlos en el otro, generando una corriente eléctrica a través de sí mismo. Las interacciones de la atadura electrificada con el campo magnético de la Tierra producen un ímpetu conocido como la fuerza de Lorentz, que empuja la atadura en una dirección perpendicular.

Hay muchos campos magnéticos en un sistema solar y especialmente en la vecindad de una dínamo como la Tierra. Pero, ¿hay campos magnéticos en el espacio profundo? Los hay, pero su procedencia sigue siendo algo misteriosa.

http://www.scholarpedia.org/article/Galactic_magnetic_fields

El ISM contiene cantidades iguales de partículas con carga positiva y negativa, por lo que no se pueden mantener corrientes eléctricas a gran escala (que podrían inducir campos magnéticos a gran escala). El mecanismo más prometedor para la amplificación de campo es la dínamo que transfiere energía mecánica a energía magnética... Con una configuración adecuada del flujo de gas, se puede generar un campo magnético fuerte con una configuración estacionaria u oscilante a partir de un campo semilla débil. Los campos de semillas podrían haberse generado en el Universo primitivo, por ejemplo, en transiciones de fase cosmológicas, o en choques en halos protogalácticos (batería de Biermann), oa través de fluctuaciones en el plasma protogaláctico.

Para atravesar el espacio interestelar utilizando propulsión electrodinámica, sería necesario identificar líneas de fuerza favorables y alinear la nave con su trayectoria. Esto se presta a una ficción porque, como señaló el profesor Lorenzini en la cita anterior, se vuelve análogo a un barco en los días de navegación. Y para impulsarse contra la energía de los campos débiles, se necesita una vela más grande o una cuerda. Imagino una enorme madeja de cables de cobre ondeando alrededor de la nave espacial, brillando con un ligero verde con su propia carga y un tenue plasma de iones de cobre. Y tendrás que estar preparado para desmontarlo si llega una tormenta...

No sé si se ha considerado la propulsión de fotones, pero es probable que no se deba a la baja energía. Los fotones oficialmente no tienen masa . Si puedo citar wikipedia: la fuerza total ejercida sobre una vela solar de 800 por 800 metros, por ejemplo, es de aproximadamente 5 newtons (1,1 lbf) a la distancia de la Tierra del Sol.

Ahora el viaje interestelar no requiere mucha energía. Simplemente poner más energía es suficiente, ya que no hay (prácticamente) nada que frene la nave. Así que se han propuesto algunos motores que aceleran muy, muy lentamente, pero pueden moverse durante décadas, si no es posible que durante siglos. Pero la luz a la distancia de la Tierra en una hoja grande de 800 por 800 no es una pequeña cantidad de energía. La razón para usar luz es que ya es abundante, o se puede usar en navegación de través como dices. Con el láser propulsor basado fuera de la nave. Ponerlo en la nave tiene varias implicaciones muy malas. También tendrás que empujar contra el reactor y, en general, disparar algo te empuja hacia atrás con la misma fuerza. No sé si lo mismo se aplica a la luz, pero podría poner tanta fuerza hacia atrás como hacia adelante si la aplica a una vela. Entonces es mejor que apuntes hacia atrás y dispares para acelerar.

Una alternativa es mucho más probable. Usando la energía del reactor, dispara partículas diminutas lo más fuerte posible hacia atrás. Si empujas la partícula hacia atrás, empujarás la nave hacia adelante con la misma fuerza. Entonces, con un acelerador de partículas en el interior, puede expulsar las partículas con tanta fuerza como un reactor nuclear puede manejar, haciendo un uso tan eficiente de las partículas como sea posible.

Hay algunas alternativas adicionales, como que están tratando de usar las curvas del espacio-tiempo a su favor, generando un campo más profundo en el frente de la nave que en la parte trasera, empujándola hacia adelante.

Pero si realmente quieres tener una unidad EM, mira lo que la NASA está haciendo en este momento con ella. Ya en 2015 estaban haciendo experimentos para comprobar si realmente podía funcionar, ya que la física decía que no podía. Todavía funciona una pequeña, pequeña cantidad. Parece insignificante, pero según ellos es bastante impresionante. Obviamente, se necesita más investigación para estar muy, muy seguro de que no se trata de un error, pero podría ser posible usarlo más adelante.

El título de la pregunta parecía prometedor, pero luego el cuerpo se fue un poco por la tangente.

En la elaboración de la pregunta, todavía se supone que la 'masa de reacción' es la única forma de impulsar algo.

Sí, las leyes de conservación del momento requieren que se ingrese energía en un sistema para crear aceleración, pero no requieren que la masa de reacción sea necesaria, ni que la fuente de energía sea inherente o esté contenida en el objeto que necesita mover.

Hay cientos de ejemplos de sistemas de transporte/propulsión en la tierra que no usan 'masa de reacción'. Es decir, tienen exactamente la misma masa al final del viaje que al principio, sin recargar. En su mayoría utilizan electricidad y motores eléctricos (aquellos que no dependen de la gravedad para llevarlos a tierra). Un tranvía, por ejemplo, puede recorrer una gran distancia sin que su masa cambie ni un ápice. De acuerdo, entonces se le suministra energía constantemente, pero la electricidad difícilmente es una 'masa de reacción', los electrones se devuelven a la fuente. El sistema Hyperlopp de Tesla, en el que el sistema de propulsión consta de electroimanes en la pared del tubo que propulsa los coches, es otro ejemplo. El tren no necesita transportar ninguna masa de reacción. Los sistemas Maglev están actualmente en funcionamiento utilizando motores de inducción que no requieren que se suministre energía a los trenes. incluso tenemosvigas tractoras en desarrollo como sistemas de transporte serios que no requieren masa de reacción.

También hay muchos sistemas de propulsión que se utilizan actualmente en los viajes espaciales que no utilizan masa de reacción. Usan el impulso gravitacional de los planetas, en una maniobra de tirachinas, para aumentar la velocidad.

Como un ejemplo práctico factible en el futuro, utilizando electroimanes (como sugiere el título), piense en una ruta de vuelo comercial regular entre, digamos, la Tierra y Marte. A lo largo del camino, coloque estaciones de paso de satélites superenormes impulsadas por tractores de fusión o similares. Ejercen un poderoso campo electromagnético (u otro rayo tractor similar) a lo largo de la ruta, de modo que atraen y luego repelen alternativamente la nave espacial a lo largo de la ruta. Newton, por supuesto, insistiría en que su masa tendría que ser sustancialmente mayor que la de los 'automóviles' que jalan/empujan, y se requeriría un desarrollo sustancial para poder enfocar/dirigir/concentrar el campo electromagnético, pero esto es una ingeniería. problema más de lo que es un problema de física. Como dijo Ash en su respuesta (¿ella?),

Pero la conclusión es que las leyes de la conservación del impulso no exigen que se use masa de reacción para la propulsión, solo alguna forma de energía suministrada.