¿Velas solares impulsadas por láser a 61 Virginis?

El uso de la luz para lanzar una sonda interestelar tiene varias cosas a su favor, pero no todo es melocotón y crema.

Más importante. es tremendamente ineficiente a corto plazo. Para un haz de luz que rebota en un espejo, el empuje aplicado al espejo asciende a 150 MW de potencia óptica por newton de fuerza. Tenga en cuenta que un newton no es mucho. Para la matriz de 70 GW propuesta en el video, eso equivale a alrededor de 467 N, o alrededor de 100 libras de fuerza. Por supuesto, la ventaja es que el empuje simplemente no se detiene. El video vinculado hablaba de enviar un paquete a Marte en 8 horas, y esto es correcto. Lo que quizás no se haya dado cuenta es que el paquete en discusión es un CubeSat, y estas cosas tienen una masa máxima de 1,33 kg. Para un objeto tan ligero, la aceleración es de unos 35 g, así que sí, realmente se pone en movimiento. También tenga en cuenta que no se dice nada sobre cómo reducir la velocidad una vez que alcanza el objetivo. Esto no es, en principio, difícil: solo tiene otra matriz de 70 GW en órbita alrededor de Marte que aplica desaceleración. Es injusto preguntar cómo llegó allí la matriz objetivo en primer lugar.

Entonces, hay (al menos) 2 cosas que preguntar sobre un lanzador interestelar. ¿Qué tan grande es la matriz de láser y qué tan grande es la sonda? Digamos, solo como punto de partida, que la sonda tiene un 1$km^2$vela ligera, y pesa 1000 kg. Claramente, esta no es una sonda tripulada, y la tecnología está más allá de lo que podemos hacer (al menos, no podemos garantizar un funcionamiento confiable durante un siglo o más, y eso supone velocidades promedio de aproximadamente 0,3 c, más sobre eso más adelante) . Digamos que las matrices de láser son los 70 GW del video. Como señala el video, la energía solar tiene más sentido, especialmente para la producción de energía de larga duración. Conceptualmente, cada matriz consta de una matriz de células solares de 10 km x 10 km que orbitarán orientadas para apuntar directamente a la suma. La parte trasera de la plataforma es una matriz en fase de emisores láser que producen un total de 70 GW, con una capacidad de dirección del haz de +/- 60 grados. Esto limita el tiempo de iluminación de un objeto a aproximadamente 1/3 de la órbita de la matriz. Afortunadamente, especificó que se construirán 3 lanzadores, por lo tanto, si los 3 conjuntos están en órbita solar con un espacio de 120 grados, uno siempre estará disponible para su uso. Un requisito obvio en este caso es que la órbita del conjunto debe estar dentro de la órbita terrestre, ya que los conjuntos solo pueden dispararse hacia el exterior desde el sol.

Con una masa de sonda de 1000 kg, la aceleración será nominalmente de unos 0,467 m/$sec^2$.

¿Durante cuánto tiempo la matriz podrá suministrar energía? Suponiendo una longitud de onda láser de 1 um, el ángulo de difracción del haz es el criterio de Rayleigh

$$\theta = 2.44\frac{\lambda}{D} = \frac{2.44 \times 10^{-6}}{10^4} = 2.44\times10^{-10}\text{ radians}$$ y esto producirá un tamaño de punto de 1 km en $$R = \frac{d}{2 \theta} = \frac{1000}{2\times 2.44\times 10^{-10}}= 2\times10^9\text{ meters}$$ o alrededor de 7 segundos luz. Después de este rango, el empuje disminuirá como el cuadrado del rango, ya que el haz se hará cada vez más grande y el espejo interceptará una porción progresivamente más pequeña.

La fase de alto impulso tomará

$$t = \sqrt{\frac{2s}{a}}= \sqrt{\frac{4\times10^9}{.467}}=857,000\text{ sec}$$ , o alrededor de 10 días y la velocidad en ese punto será $$v = at = .467\times 8.57\times10^5 = 4\times10^5\text{ m/sec}$$ Soy, francamente, demasiado perezoso para hacer los cálculos de la aceleración posterior al pico, pero redondeemos la velocidad final a aproximadamente $10^6$m/seg. Tenga en cuenta que esto es solo alrededor del 0,3% de c, y el tiempo hasta 61 Viginus es de aproximadamente 8600 años.

Está claro que necesitamos armas más grandes.

Ahora, como prometí, la cuestión de cómo reducir la velocidad al final del viaje. Está muy, muy claro por lo anterior que no hay manera de afectar la trayectoria final con la matriz especificada. Simplemente no producirá una densidad de potencia apreciable en 30 años luz. Pero digamos que podríamos, de alguna manera, hacer esto. ¿Eso ayuda? La respuesta es sí. Durante el viaje, la sonda gira y expulsa un segundo espejo mucho más grande que precede a la sonda. El rayo de frenado incide principalmente en el espejo secundario, acelerándolo, pero el rayo reflejado golpea el espejo de la sonda y proporciona una fuerza de frenado. Esto no es exactamente un movimiento amistoso hacia el sistema de destino, ya que produce un espejo secundario gastado que atraviesa el sistema de destino (para un espejo secundario igual en masa a la sonda de carga útil) aproximadamente el doble de la velocidad de tránsito.

Suponiendo una aceleración de lanzamiento adecuada para producir velocidades relativistas bajas, la ventana de lanzamiento es bastante indulgente, alrededor de 4 meses/año. El problema inmediato es eliminar la velocidad cruzada del objetivo de la sonda. Hacer esto de inmediato, por supuesto, dará como resultado una pequeña velocidad radial para cualquier sonda lanzada con una velocidad cercana a la velocidad de escape de la Tierra, ya que la velocidad orbital de la Tierra es de unos 30 m/seg. El punto de lanzamiento ideal ocurre cuando el vector sol/tierra está a unos 45 grados del vector objetivo. Entonces, la velocidad de cruce del objetivo es relativamente pequeña, y al inclinar el espejo para eliminar esto, también se producirá una aceleración de rango descendente decente. El óptimo exacto y la ventana dependerán del empuje disponible y la velocidad de lanzamiento de la sonda desde la tierra. En principio,

EDITAR - Oh, sí, y sobre el tema de las lentes gravitacionales. Probablemente puedas olvidarlo. No he podido llegar a los cálculos subyacentes, pero parece bastante claro que el autor simplemente no sabe de lo que está hablando. Una discusión sobre esto está más allá del alcance de esta pregunta, pero estoy bastante seguro de que no funcionará. Sus afirmaciones y explicaciones son, hasta cierto punto, contradictorias entre sí, y parece haber pasado por alto algunas cuestiones muy importantes. Podría estar equivocado (como ha demostrado la historia), pero estoy bastante seguro de que no estoy en este caso.

Este tipo de sistema fue utilizado por el libro Rocheworld, también conocido como El vuelo de la libélula.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocheworld

El autor tenía un sistema muy bien pensado en el que las estaciones colectoras que orbitaban Mercurio (y tripuladas por personas que trabajaban desde un gancho solar en la sombra de Mercurio) recogían la energía y la enviaban a una lente más alejada en el sistema solar. Esa lente enfocaba la luz. y lo envió a la vela de luz.

Con la tecnología láser moderna, es posible que ni siquiera se necesite la etapa de la lente, por lo que podríamos enviar la energía directamente desde Mercurio. Sin embargo, esto sería algo bastante peligroso de tener y controlar, ¡ten cuidado hacia dónde lo apuntas!

En ese ejemplo, el barco subió a 0,2c, que es similar al de su artículo que menciona 0,26c. Incluso a esas velocidades, aunque aún tomaría 107 años. Esto tampoco es lo suficientemente rápido para que la relatividad realmente se active, el tiempo transcurrido para las personas a bordo aún sería de más de 100 años, especialmente una vez que se tienen en cuenta los tiempos de aceleración y desaceleración.

Para las "ventanas de lanzamiento", necesita que Mercurio esté en el lado derecho del sol como la vela y el objetivo, y permanezca allí por un tiempo, lo que significa que viajaría a un objetivo en línea con el plano del sistema solar. ser capaz de lanzar durante, digamos, 20 días de cada año de Mercurio de 88 días y tener suficiente tiempo de aceleración antes de perder el láser. Sin embargo, se podrían lanzar múltiples velas a diferentes destinos y los láseres cambiarían entre ellos a medida que el planeta orbitaba para que pudiera mantener un tiempo de actividad continuo acelerando algo.

Si estuviera lanzando hacia arriba o hacia abajo, eso no sería un problema y podría lanzarlo en cualquier momento.

El lugar lógico para los láseres es cerca del Sol, para que puedan absorber la máxima cantidad de energía solar. Muchas propuestas sugieren que orbiten alrededor de Mercurio para que la gravedad del planeta los mantenga alineados, y también tiene la ventaja de proporcionar materias primas para construir el proyecto en primer lugar.

Dado que la cantidad de energía necesaria aumenta exponencialmente a medida que la nave se aleja, el sitio de construcción estará ocupado construyendo y lanzando láseres alrededor de Mercurio, comenzando con una matriz de 43,000 TW y terminando con una monstruosa matriz de 73,000 TW. Las autoridades de cualquier planeta habitado estarán observando esto muy de cerca, ya que estás construyendo una Estrella de la Muerte de la vida real que podría freír cualquier planeta que cruce el rayo...

Los láseres necesitarán energía. Mucha energia. Posiblemente varios teravatios de energía cada uno. Por lo tanto, deberá colocarlos en algún lugar donde puedan obtener energía. Así que póngalos en órbita alrededor de uno de los gigantes gaseosos, probablemente Saturno debido a lo hostil que es la radiación de Júpiter, y use el gigante gaseoso como combustible para alimentar el láser.

Los láseres estarán en órbita, lo que significa que tendrás entre 1 y 2 con línea de visión a la nave espacial en todo momento. Entonces, a medida que obtienen la línea del sitio, apuntarán su láser hacia donde estará la nave cuando la luz llegue tan lejos.

El mantenimiento puede ocurrir mientras el láser está detrás del planeta. Las personas que trabajan en los láseres pueden vivir en Titán, que en realidad tiene una atmósfera densa, aunque es muy fría.

La nave viajará hacia donde Virginis estará mil años, más o menos, pero los láseres solo los empujarán realmente durante los primeros cien o dos, antes de que lleguen demasiado lejos para que la luz haga mucho bien.