Este concepto de nave espacial podría enviar rápidamente una nave espacial de una tonelada al borde del sistema solar.

Este concepto de nave espacial podría enviar rápidamente una nave espacial de una tonelada al borde del sistema solar.

Hoy, varios espacios Las agencias están explorando ideas de propulsión avanzadas que permitirán tránsitos rápidos a otros cuerpos del sistema solar. Estos incluyen la NASA Propulsión nuclear-térmica o nuclear-eléctrica (NTP/NEP) conceptos que podrían permitir tiempos de tránsito a Marte en 100 días (o entonces incluso 45) y un Nave espacial china de propulsión nuclear que podría explorar Neptuno y su luna más grande, Tritón. Si bien estas y otras ideas pueden permitir la exploración interplanetaria, ir más allá del sistema solar presenta grandes desafíos.

Se necesitarían naves espaciales con propulsión convencional en cualquier lugar desde Hace 19.000 a 81.000 años para alcanzar incluso la estrella más cercana, Próxima Centauri (4,25 años luz de la Tierra). Con ese fin, los ingenieros han estudiado propuestas de naves espaciales no tripuladas que dependen de haces de energía dirigida (láseres) para acelerar velas ligeras a una fracción de la velocidad de la luz.

Una nueva idea propuesta por investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) prevé una variación de la idea de la vela de vara: un haz de perdigones concepto que podría acelerar una nave espacial de una tonelada hasta el borde del sistema solar en menos de 20 años.

El concepto, tituladoPropulsión de haz de pellets para una exploración espacial revolucionaria“, fue propuesto por artur davoyan, profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA. La propuesta fue una de las 14 propuestas elegidas por el Conceptos avanzados innovadores de la NASA (NIAC) como parte de sus selecciones de 2023, que otorgó un total de $ 175,000 en subvenciones para desarrollar aún más las tecnologías. La propuesta de Davoyan se basa en trabajos recientes sobre Propulsión de Energía Dirigida (DEP) y tecnología de velas ligeras para lograr un lente gravitacional solar.

Imagen de una galaxia con lentes gravitacionales creando un anillo de Einstein. NASA/ESA/Hubble

Como dijo Davoyan Universo hoy por correo electrónico, el problema con las naves espaciales es que siempre están en deuda con el ecuación de cohete: «Todas las naves espaciales y los cohetes actuales vuelan expandiendo el combustible. Cuanto más rápido se lanza el combustible, más eficiente es el cohete. Sin embargo, la cantidad de combustible que se puede llevar a bordo es limitada. Como resultado, la velocidad a la que un Las naves espaciales pueden ser aceleradas es limitada. Este límite fundamental está dictado por la ecuación del cohete. Las limitaciones de la ecuación del cohete dan como resultado una exploración espacial relativamente lenta y costosa. Las misiones como la lente gravitacional solar no son factibles con las naves espaciales actuales.

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La Lente Gravitacional Solar (SGL) es una propuesta revolucionaria que sería el telescopio más poderoso jamás diseñado. Los ejemplos incluyen el Lente de gravedad solar, que fue seleccionado en 2020 para el desarrollo NIAC Fase III. El concepto se basa en un fenómeno predicho por La teoría de la relatividad general de Einstein conocido como lente gravitacional, donde los objetos masivos alteran la curvatura del espacio-tiempo, amplificando la luz de los objetos en el fondo. Esta técnica permite a los astrónomos estudiar objetos distantes con mayor resolución y precisión.

Al colocar una nave espacial en la heliopausa (~500 UA del Sol), los astrónomos podrían estudiar exoplanetas y objetos distantes con la resolución de un espejo primario que mide unos 100 kilómetros (62 millas) de diámetro. El desafío es desarrollar un sistema de propulsión que pueda llevar la nave espacial a esta distancia en un tiempo razonable. Hasta la fecha, las únicas naves espaciales que han llegado al espacio interestelar han sido las sondas Voyager 1 y 2, que se lanzaron en 1977 y actualmente se encuentran a unas 159 y 132 UA del Sol (respectivamente).

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Cuando abandonó el sistema solar, el La sonda Voyager 1 se movía a una velocidad récord de unos 17 kilómetros por segundo (38.028 mph), o 3,6 AU por año. Sin embargo, esta sonda aún tardó 35 años en alcanzar el límite entre el viento solar del Sol y el medio interestelar (la heliopausa). A su velocidad actual, la Voyager 1 tardará más de 40.000 años en volar más allá de otro sistema estelar, AC+79 3888, una estrella tenue en la constelación Ursa Minor. Por esta razón, los científicos están estudiando la propulsión de energía dirigida (DE) para acelerar las velas ligeras, que podrían alcanzar otro sistema estelar dentro de décadas.

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Como explicó Davoyan, este método ofrece algunas ventajas claras, pero también tiene sus desventajas: “La navegación láser, a diferencia de las naves espaciales y los cohetes convencionales, no requiere combustible a bordo para acelerar. Aquí, la aceleración proviene de un láser que empuja la nave espacial por presión de radiación. En principio, con este método se pueden alcanzar velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Sin embargo, los rayos láser divergen en distancias largas, lo que significa que solo hay un rango limitado de distancia en el que se puede acelerar una nave espacial. Esta limitación de la navegación por láser conduce a la necesidad de potencias de láser exorbitantes, gigavatios y, en algunas propuestas, teravatios, o impone una restricción sobre la masa de la nave espacial.

Los ejemplos del concepto de rayo láser incluyen Proyecto Libélulaun estudio de viabilidad por parte de la Instituto de Estudios Interestelares (I4IS) para una misión que podría alcanzar un sistema estelar cercano dentro de un siglo. Luego está Breakthrough Starshot, que ofrece una matriz láser de 100 gigavatios (Gw) que aceleraría nanocrafts a escala de gramos (Starship). A una velocidad máxima de 161 millones de kilómetros (100 millones de millas) o el 20% de la velocidad de la luz, Starshot podrá alcanzar Alpha Centauri en unos 20 años. Inspirándose en estos conceptos, Davoyan y sus colegas proponen un nuevo giro a la idea: un concepto de paquete de pellets.

Stephen Hawking en la inauguración de Breakthrough Starshot.Imágenes de Gary Gershoff/WireImage/Getty

Este concepto de misión podría servir como una misión precursora interestelar de tránsito rápido, como Starshot y Dragonfly. Pero para sus propósitos, Davoyan y su equipo están buscando un sistema de perdigones que impulsaría una carga útil de alrededor de 900 kilogramos (1 tonelada estadounidense) a una distancia de 500 AU en menos de 20 años.

Dijo Davoyan: «En nuestro caso, el rayo que empuja la nave espacial está hecho de diminutas bolitas, por lo tanto [we call it] el paquete de pellets. Cada bolita se acelera a velocidades muy altas mediante ablación con láser, luego las bolitas llevan su impulso para empujar la nave espacial. A diferencia de un rayo láser, los gránulos no divergen tan rápido, lo que nos permite acelerar una nave espacial más pesada. Los gránulos, al ser mucho más pesados ​​que los fotones, tienen más impulso y pueden transferir una fuerza mayor a una nave espacial.

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Además, el pequeño tamaño y la poca masa de los gránulos les permiten ser propulsados ​​por rayos láser de potencia relativamente baja. En general, Davoyan y sus colegas estiman que una nave espacial de una tonelada podría acelerarse a velocidades de hasta ~30 AU por año utilizando un rayo láser de 10 megavatios (Mw). Para el esfuerzo de la Fase I, demostrarán la viabilidad del concepto de haz de pellets a través del modelado detallado de los diversos subsistemas y experimentos de prueba de concepto. También explorarán la utilidad del sistema de haz de perdigones para misiones interestelares que podrían explorar estrellas cercanas durante nuestra vida.

«El haz de perdigones tiene como objetivo transformar la forma en que se explora el espacio profundo al permitir misiones de tránsito rápido a destinos distantes», dijo Davoyan. “Con el haz de gránulos, los planetas exteriores se pueden alcanzar en menos de un año, 100 AU en unos tres años y la lente de gravedad solar a 500 AU en unos 15 años. Es importante destacar que, a diferencia de otros conceptos, el Pellet Beam puede propulsar naves espaciales pesadas (~1 tonelada), lo que aumenta considerablemente el rango de posibles misiones.

Si se realiza, una nave espacial SGL permitiría a los astrónomos imagen directa de exoplanetas cercanos (como Proxima b) con resolución multipixel y obtener espectros de sus atmósferas. Estas observaciones ofrecerían evidencia directa de atmósferas, firmas biológicas y posiblemente incluso firmas tecnológicas. De esta forma, la misma tecnología que permite a los astrónomos obtener imágenes directas de exoplanetas y estudiarlos en detalle también permitiría que las misiones interestelares los exploren directamente.

Este artículo fue publicado originalmente en Universo hoy por Matt Williams. léelo articulo original aqui.

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