¿Es posible la propulsión láser?

Sí, es completamente posible que los láseres proporcionen un poder de propulsión. De hecho, existe una idea bastante discutida de apuntar un gran láser a una vela solar para acelerarla más rápido de lo que sería posible solo con la vela misma. La clave es que los láseres no pueden estar en la nave espacial, tienen que estar lejos de la nave espacial.

Y sí, dadas estas leyes, los láseres de hecho ejercen una pequeña fuerza sobre el objeto desde el que se lanzan. Es solo que el impulso es tan pequeño que apenas se nota con dispositivos altamente sensibles y láseres potentes. El láser más potente del mundo es el láser ubicado en NIF . Puede producir un pulso de 500 billones de vatios, aunque solo sea por un instante. Si concentraras eso en un solo punto, ejercería una fuerza de alrededor de 367 N para una superficie absorbente. Esa misma fuerza se aplicaría a la vela, excepto que se duplicaría como se reflejaría (Ideal). Cabe señalar que, si bien esto es en realidad bastante impulso, solo puede ocurrir durante una fracción muy pequeña de segundo, lo que dificulta su aplicación.

Entonces, estás en una nave espacial y quieres impulsarte con un láser estacionado en la propia nave espacial. ¿A qué te dedicas? Hay dos opciones que podrías hacer. En primer lugar, si hace rebotar la luz en una superficie reflectante, la luz rebotará, en esencia, proporcionará un poco de impulso, porque el efecto neto es que la luz está siendo empujada fuera de la vela y afuera. de la nave espacial. Pero, hay una mejor manera. En su lugar, apunte el láser como lo haría con un motor de cohete y utilícelo para empujar. Entonces obtendría el 100% del empuje de dicho láser, y aceleraría lentamente en la dirección en la que desea ir.

Por supuesto, uno tiene que preguntarse de dónde viene el poder para alimentar este láser. La única fuente concebible a largo plazo es la energía solar. Y para hacer eso, también podría usar la navegación solar, le dará el mismo retorno de su espacio, con menos peso.

En pocas palabras, la única forma en que tiene sentido usar esto es si un láser desde una ubicación remota te está disparando. De lo contrario, simplemente no tendría ningún sentido.

Voy a tomar prestada una analogía de Baron Münchhausen (ver Fig. 1) más adelante para ilustrar las tres leyes de movimiento de Newton que están en efecto con el sistema que está proponiendo y por qué no sería posible crear un fuerza propulsora, si los láseres y la vela solar son parte del mismo sistema cerrado (o un solo cuerpo), pero primero veamos estas leyes de movimiento:

1. Primera ley : cuando se ve en un marco de referencia inercial, un objeto está en reposo o se mueve a una velocidad constante, a menos que una fuerza actúe sobre él.
2. Segunda ley : La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional y en la misma dirección que la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo, e inversamente proporcional a su masa. Por lo tanto, F = madonde Fes la fuerza neta que actúa sobre el objeto, mes la masa del objeto y aes la aceleración del objeto.
3. Tercera ley : Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, el segundo cuerpo ejerce simultáneamente una fuerza igual en magnitud y dirección opuesta a la del primer cuerpo.

^{Fuente: Wikipedia - Leyes de movimiento de Newton}

Ahora, las primeras dos leyes parecen prometedoras, pero prometí ilustrar los problemas de su propuesta con una analogía, así que aquí está:

                     ^{Fig. 1: el barón Münchhausen sale de un lodazal por su propio cabello. Fuente: Wikipedia}

No estoy tratando de ser inteligente o burlarme de su propuesta de ninguna manera. Realmente amo las historias de Baron Münchhausen desde que era un niño, y esta, donde Münchhausen supuestamente se jaló a sí mismo y al caballo en el que estaba sentado de un pantano por su propio cabello , es la mejor analogía que se me ocurre actualmente. , y me enseñó la misma dinámica de un sistema cerrado que estoy describiendo aquí cuando era niño y ni siquiera había oído hablar de Newton hasta entonces.

Así que sí, aunque los láseres ejercerán una presión de radiación sobre las velas solares (consulte la respuesta de @PearsonArtPhoto para obtener más información), también ejercerán una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta en el cuerpo del vehículo, según la tercera ley de movimiento de Newton. Y debido a que los láseres son parte del mismo sistema (no dos cuerpos separados, como se cita en la tercera ley del movimiento de Newton; están unidos al vehículo y éste a las velas solares, posiblemente por alguna atadura larga), esta fuerza en la vela solar será anulada por la fuerza igual y opuesta en los láseres que emiten los fotones. Estiraría las ataduras a las que están conectadas las velas con la nave espacial, pero eso es todo.

Esto es un poco de generalización, ya que los láseres funcionan como concentradores de fotones ( amplificación óptica ) y viajan muchas veces de un lado a otro dentro del medio de ganancia, pero viajan exactamente una longitud del medio de ganancia más larga en la dirección del acoplador de salida, por lo que nuestra presunción inicial sigue en pie.

Un caso simple (reutilizando la "idea" de Münchhausen, pero hagámoslo menos potencialmente doloroso y desagradable): ponte las manos alrededor de la cintura e intenta levantarte sin mover las piernas en absoluto. Lo encontrará completamente imposible, a menos que ejerza alguna fuerza sobre otro cuerpo que no sea parte del suyo, y contra el que pueda empujar.

Ahora bien, si el láser estuviera estacionado en otro cuerpo, tal propulsión sería bastante posible. También podría usarse para cambiar constantemente de dirección (girar sobre su eje), incluso si fuera parte del mismo cuerpo, pero no funcionaría como una propulsión a largo plazo en ninguna dirección deseada. No apuntando los láseres emisores de fotones en una vela unida al mismo vehículo. Sin embargo, si funcionaría sin una vela. Lamentablemente, aquí no hay comida gratis, ni siquiera con fotones.

Editar para agregar : veo en los comentarios que mis respuestas y las de @PearsonArtPhoto han causado algunas preocupaciones sobre su precisión, debido al supuesto concepto de "almuerzo gratis" de empujar velas solares usando un rayo láser generado a bordo. Entonces, lo que sigue es un poco de información sobre el modo de propulsión realmente propuesto, tal como se encuentra en los artículos científicos. Si alguien puede encontrar una solución propuesta que haga esto en un sistema de circuito cerrado e impulse una nave espacial en cualquier dirección enfocando un rayo láser que está a bordo de la nave espacial en las velas solares conectadas a la misma nave espacial, estaré extremadamente interesado. para leer el papel.

Primero, de Wikipedia sobre propulsión impulsada por haz - Impulso directo :

El haz debe tener un diámetro grande para que solo una pequeña parte del haz no alcance la vela debido a la difracción y la antena láser o de microondas debe tener una buena estabilidad de orientación para que la embarcación pueda inclinar sus velas lo suficientemente rápido como para seguir el centro. del haz Esto se vuelve más importante cuando se pasa de un viaje interplanetario a un viaje interestelar, y cuando se pasa de una misión de sobrevuelo, a una misión de aterrizaje, a una misión de regreso. El láser o el emisor de microondas probablemente sería una gran matriz en fase de pequeños dispositivos, que obtienen su energía directamente de la radiación solar. El tamaño de la matriz hace obsoleto cualquier lente o espejo.

Derecha. En realidad, no se descarta directamente la idea de llevar la fuente del rayo láser a bordo de la nave espacial, pero se sugiere que la fuente del rayo debería ser estacionaria al implicar que los radios mayores (debido a la resolución angular) cuanto más lejos esté la nave espacial de la energía. fuente de haz. Vayamos un paso más allá y citemos artículos científicos reales, no solo Wikipedia (que está bien en la mayoría de los casos, pero uno no puede confiar en las conclusiones allí con ningún grado de certeza, a menos que esté absolutamente seguro de que no cambia el significado implícito de su fuentes citadas);

De Advanced Solar and Laser-pushed Lightsail Concepts, Informe final, 31 de mayo de 1999 - Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (PDF) :

1.11 Propulsión de haz de energía (páginas 4-6)

Una solución alternativa al problema de la relación de masa requerida para el vuelo a alta velocidad es utilizar energía emitida. En la propulsión por haz de energía, la fuente de energía se deja estacionaria y la sonda se empuja a cierta distancia. Dado que el sistema de propulsión no se mueve, el peso de la fuente de energía no es crítico y no es necesario transportar combustible.

Un ejemplo de la propulsión de energía emitida es la vela impulsada por fotones. Dado que un fotón tiene impulso, un haz de fotones puede "empujar" una vela reflectante. En términos prácticos, la fuerza que se produce al reflejar un haz de luz es de 6,7 newtons por gigavatio de luz reflejada. Esta fuerza viene sin gasto de combustible alguno. Por lo tanto, es extremadamente favorable para misiones de alto delta-V.

Así que ahí lo tenemos. Dichos sistemas describen una fuente de haz estacionaria y una nave espacial en movimiento que empuja contra la fuerza de impulso que los fotones reflejados ejercen sobre la vela solar.

También he visto las primeras pruebas de laboratorio realizadas sobre la viabilidad de usar este impulso de los fotones dirigidos a una vela solar extremadamente ligera, pero lamentablemente no recuerdo exactamente dónde se realizó este estudio, o quién fue el editor (fue un poco hace, probablemente alrededor de 10 años?). Aún así, el sistema de prueba se ensambló en una cámara de vacío con el láser de alta potencia estacionario y una vela solar pequeña (de aproximadamente 1 pulgada cuadrada) sostenida en su lugar por una palanca extremadamente sensible que no impartía movimiento a la pieza de prueba. de la vela solar en la dirección del haz de luz. Las fuerzas medidas fueron extremadamente pequeñas, pero el concepto funcionó y se confirmó el método propuesto. Nuevamente, ¡usando una fuente de rayo láser estacionaria!

Espero que esto aclare un poco las cosas.

Los otros cubrieron algunos puntos esenciales relacionados con el uso de fuentes remotas de haz como propulsión para velas solares. Déjame agregar algo más:

La vela solar es enorme para reunir una gran cantidad de energía solar dispersa relativamente débil y usar su componente cinético (muy débil) para empujar contra la superficie del espejo (enorme pero barata): el sol brilla en todas las direcciones y necesita una superficie enorme para atrapar su energía para proporcionar una propulsión razonable a su vehículo (pero la superficie puede ser cualquier material reflectante liviano y barato).

Si utiliza una fuente de luz de mayor intensidad que la luz solar, concentrada en un área pequeña, es mejor que explote el efecto fotovoltaico del haz. Concentre el rayo láser en un área mucho más pequeña (pero más costosa de construir) de una celda solar. Mientras brilla el láser en diez metros cuadrados de baterías solares, es poco probable que genere un empuje cinético directo de magnitud comparable a un kilómetro cuadrado de vela solar, le dará un voltaje bastante bueno que luego puede usarse para acelerar cantidades minúsculas de materia a velocidades relativistas que proporcionan una propulsión bastante eficiente en forma de impulso iónico, que utiliza muy poco combustible sólido y produce un empuje proporcional a la cantidad de electricidad que le inyectas.

Entonces, si decides hacer brillar un láser en una nave, no uses ese láser para empujar esa nave. Úsalo para alimentar el motor de esa nave.

Si usó un láser conectado a su "barco faro" para empujar contra la vela, entonces solo esa parte de la luz reflejada de la vela impulsaría su "barco faro" hacia adelante. Cualquier luz que fuera absorbida por la vela o reflejada por la vela hacia el barco se desperdiciaría. Apuntar el láser hacia la parte trasera de la nave daría la mejor propulsión con el mismo láser.

Un láser terrestre empujando contra su vela usaría toda la luz que la golpea para impulsar su nave, pero si usara una vela que reflejara esa luz láser, casi duplicaría la cantidad de aceleración del mismo láser. Obtendría el impulso transferido de la luz que golpea la vela y el empuje adicional de la luz que se refleja en la vela que rebota hacia su fuente. En las turbinas de agua de alta velocidad y bajo volumen, utilizan una pala con forma de dos tazones y dirigen el chorro de agua hacia el centro de los dos tazones. Ese impulso se absorbe y hace girar la rueda, pero el agua continúa viajando a través de la superficie interna de los tazones y sale casi en la misma dirección de donde vino, lo que agrega esa reacción para empujar la turbina aún más rápido. Una vela ligera espejada sería casi el doble de eficaz que una vela absorbente.