Los motores de cohetes modernos son excelentes para poner tecnología en órbita, pero son completamente inadecuados para viajes espaciales de larga duración. Por eso, durante más de una década, los científicos han estado trabajando en la creación de motores espaciales alternativos que podrían acelerar las naves espaciales a velocidades récord. Veamos siete ideas clave en este espacio.
1. EmDrive
Para moverse, es necesario alejarse de algo; esta regla se considera un pilar inquebrantable de la física y la astronáutica. No es tan importante dónde comienza exactamente: desde la tierra, el agua, el aire o un chorro de gas como el motor de un cohete.
Un famoso experimento mental: imagina que un astronauta entra al espacio exterior, pero el cable que lo conecta a la nave espacial se rompe repentinamente y la persona comienza a volar lentamente. Sólo tiene una caja de herramientas. ¿Cuáles son sus acciones? Respuesta correcta: Necesita tirar las herramientas lejos del barco. Según la ley de conservación del impulso, la fuerza que lanza a la persona lejos de la herramienta es exactamente la misma fuerza que la herramienta lanza lejos de la persona, por lo que gradualmente se moverá hacia la nave espacial. Como muestran los experimentos, existe alguna posibilidad de refutar esta afirmación inquebrantable.
El creador de este motor es el ingeniero británico Roger Schaal, quien fundó su propia empresa de investigación de propulsión por satélite en 2001. El diseño de EmDrive es bastante lujoso. Tiene forma de barril de metal y está sellado en ambos extremos. Dentro del barril hay un magnetrón que emite ondas electromagnéticas, como un horno microondas tradicional. Y resulta que es suficiente para producir un empuje muy pequeño pero bastante notable.
El propio autor explica el funcionamiento de su motor por la diferencia de presión de la radiación electromagnética en los diferentes extremos de un "cubo", más pequeño en el extremo estrecho que en el extremo más ancho. Esto crea un empuje dirigido hacia el extremo estrecho. La posibilidad de funcionamiento de dicho motor fue cuestionada más de una vez, pero en todos los experimentos el dispositivo Schaer mostró la presencia de empuje en la dirección deseada.
Experimentos:
Los experimentadores que prueban el barril de Sal incluyen organizaciones como la NASA, la Universidad Técnica de Dresde y la Academia China de Ciencias. El invento fue probado en diversas condiciones, incluso en el vacío, donde mostró un empuje de 20 micrones.
Esto es muy pequeño en comparación con los motores a reacción químicos. Sin embargo, dado que el motor Schaar puede funcionar a voluntad, ya que no requiere un suministro de combustible (las células solares proporcionan el funcionamiento del magnetrón), tiene el potencial de acelerar la nave espacial a velocidades enormes, medidas como un porcentaje de la velocidad de luz.
Para demostrar plenamente el rendimiento del motor, será necesario realizar más mediciones y eliminar posibles efectos secundarios como campos magnéticos externos. Sin embargo, se han propuesto otras posibles explicaciones para el inusual empuje del motor Schaer, que en general viola las leyes habituales de la física.
Por ejemplo, algunas personas han propuesto la versión de que un motor puede producir empuje debido a su interacción con un vacío físico, que a nivel cuántico tiene energía distinta de cero y está lleno de energía que aparece y constantemente Desaparece las partículas elementales virtuales. En un futuro próximo sabremos quién tiene razón en última instancia: el autor de esta teoría, el propio Schaal u otros escépticos.
2. Vela solar
Como se mencionó anteriormente, la radiación electromagnética generará presión. Esto significa que, en teoría, se puede convertir en movimiento, por ejemplo, con la ayuda de una vela. Así como los barcos de siglos pasados usaban velas para captar el viento, las naves espaciales del futuro usarán velas para captar el sol o cualquier otra fuente de luz estelar.
Pero el problema es que la presión de la luz es extremadamente pequeña y disminuye a medida que aumenta la distancia a la fuente de luz. Por tanto, para que una vela de este tipo sea útil, debe ser muy ligera y muy grande. Esto aumenta el riesgo de que toda la estructura quede destruida cuando choque con un asteroide u otro objeto.
Ha habido intentos de construir y lanzar barcos de vela solares al espacio: Rusia probó una vela solar en la nave espacial Progress en 1993, y Japón la probó con éxito en su camino a Venus en 2010. Pero ningún barco ha utilizado todavía las velas como fuente principal de aceleración. Otro proyecto, las velas eléctricas, parece más prometedor a este respecto.
3. Vela eléctrica
El sol no solo emite fotones, sino también partículas de materia cargadas: electrones, protones e iones. Todas estas partículas forman lo que se conoce como viento solar, que elimina alrededor de 1 millón de toneladas de material de la superficie del sol cada segundo.
El viento solar recorre miles de millones de kilómetros y es responsable de algunos de los fenómenos naturales de nuestro planeta: las tormentas geomagnéticas y las auroras boreales. La Tierra está protegida por su propio campo magnético del viento solar.
El viento solar, al igual que el viento aéreo, es muy adecuado para viajar, solo hay que dejarlo soplar sobre la vela. El proyecto de vela eléctrica creado por el científico finlandés Pekka Janhunen en 2006 no tiene nada que ver con las velas eléctricas solares. El motor consta de varios cables largos y delgados, similares a los radios de una rueda sin llanta.
Dado que el cañón de electrones dispara en dirección retrógrada, estos cables adquieren un potencial positivo. Dado que la masa de un electrón es aproximadamente 1.800 veces la de un protón, el empuje generado por el electrón no desempeñará un papel fundamental. Los electrones del viento solar no son importantes para una vela así. Pero las partículas cargadas positivamente (protones y radiación alfa) serán repelidas por la correa, creando el empuje del chorro.
Aunque este empuje será unas 200 veces menor que el de una vela solar, la Agencia Espacial Europea está muy interesada en este proyecto. De hecho, las velas eléctricas son mucho más fáciles de diseñar, fabricar, desplegar y operar en el espacio. Además, utilizando la gravedad, las velas eléctricas pueden viajar hasta la fuente del viento estelar, no sólo lejos de ella. Y debido a que la vela tiene una superficie mucho más pequeña que una vela solar, es menos susceptible a los asteroides y los desechos espaciales. Quizás en los próximos años veamos los primeros barcos experimentales con velas eléctricas.
4. Motor de iones
El flujo de partículas de materia cargada, es decir, iones, no sólo lo emiten las estrellas. Los gases ionizados también se pueden producir artificialmente. Normalmente, las partículas de gas son eléctricamente neutras, pero cuando sus átomos o moléculas pierden electrones, se convierten en iones. El gas permanece sin carga en relación con su masa total, pero sus partículas individuales se convierten en partículas cargadas, lo que significa que pueden moverse en campos magnéticos.
En un motor de iones, un gas inerte (normalmente xenón) es ionizado por una corriente de electrones de alta energía. Eliminan electrones de los átomos y obtienen una carga positiva. Además, los iones producidos se aceleran en el campo electrostático a una velocidad de 200 kilómetros por segundo, que es 50 veces mayor que la velocidad de salida de gas de un motor a reacción químico. Sin embargo, el empuje de los modernos propulsores de iones es muy pequeño: entre 50 y 100 nanotones. Un motor así ni siquiera se puede sacar de la mesa. Pero tiene una gran ventaja.
Una gravedad específica grande puede reducir en gran medida el consumo de combustible del motor. La energía obtenida de las células solares se utiliza para ionizar gases, por lo que el motor de iones puede funcionar durante mucho tiempo, hasta tres años sin interrupción. Durante ese tiempo, tendría tiempo de acelerar la nave espacial a velocidades con las que los motores químicos sólo podrían soñar.
Los motores de iones surcan la inmensidad del sistema solar repetidamente como parte de una variedad de misiones, pero generalmente como fuerza auxiliar más que principal. Hoy en día se habla cada vez más de los propulsores de plasma como posible alternativa a los propulsores de iones.
5. Motor de plasma
Si el grado de ionización de los átomos se vuelve muy alto (alrededor del 99%), ese estado de agregación de material se llama plasma. El estado de plasma sólo se alcanza a altas temperaturas, por lo que el gas ionizado se calienta a millones de grados en el motor de plasma. El calentamiento se realiza mediante una fuente de energía externa: paneles solares o, de manera más realista, un pequeño reactor nuclear.
El plasma caliente es luego expulsado a través de la boquilla del cohete, produciendo un empuje decenas de veces mayor que el de un propulsor de iones. Un ejemplo de motor de plasma es el proyecto VASIMR, que ha estado en desarrollo desde la década de 1970. A diferencia de los propulsores de iones, los propulsores de plasma aún no se han probado en el espacio, pero se depositan grandes esperanzas en ellos. Es el motor de plasma VASIMR el que es uno de los principales candidatos para vuelos tripulados a Marte.
6. Motor de Fusión
Desde mediados del siglo XX, la gente ha estado tratando de dominar el poder de la fusión termonuclear, pero hasta ahora, no han podido hacerlo.
Sin embargo, la fusión termonuclear controlada sigue siendo muy atractiva porque es una fuente de enorme energía a partir de combustibles muy baratos: isótopos de helio e hidrógeno.
Actualmente, varios proyectos están diseñando un motor a reacción que utiliza la fusión termonuclear como energía. El más prometedor de ellos es el modelo basado en un reactor cerrado de plasma magnético. El reactor termonuclear de este motor tendrá la forma de un cilindro sin presión de 100 a 300 metros de largo y de 1 a 3 metros de diámetro. La cabina debe proporcionar combustible en forma de plasma de alta temperatura, que pueda entrar en la reacción de fusión nuclear bajo suficiente presión. Las bobinas del sistema magnético ubicadas alrededor de la cámara de prueba deben evitar que este plasma entre en contacto con el equipo.
La zona de reacción termonuclear se sitúa en el eje de este cilindro. Con la ayuda de campos magnéticos, un plasma extremadamente caliente fluye a través de la boquilla del reactor, produciendo un empuje enorme, muchas veces mayor que el de un motor químico.
7. Motor de Antimateria
Toda la materia que nos rodea está compuesta de fermiones, partículas elementales con espín semientero. Por ejemplo, los quarks que forman los protones y neutrones del núcleo, así como los electrones. Además, cada fermión tiene su propia antipartícula. Para los electrones, este es un positrón y para los quarks, un antiquark.
Las antipartículas tienen la misma masa y espín que los "camaradas" ordinarios, pero difieren en los signos de todos los demás parámetros cuánticos. En teoría, las antipartículas podrían constituir antimateria, pero hasta ahora no se ha registrado antimateria en ningún lugar del universo. Para la ciencia básica, la gran pregunta es por qué no existe.
Pero en condiciones de laboratorio, se puede obtener algo de antimateria. Por ejemplo, alguien realizó recientemente un experimento para comparar las propiedades de los protones y antiprotones almacenados en trampas magnéticas.
Cuando la antimateria y la materia ordinaria se encuentran, se producirá un proceso de aniquilación mutua, acompañado de una enorme explosión de energía. Por tanto, si tomamos un kilogramo de materia y antimateria, la energía liberada cuando se encuentran equivale a la explosión de la "Bomba Zar", la bomba de hidrógeno más poderosa de la historia de la humanidad.
Además, una parte considerable de la energía se liberará en forma de fotones de radiación electromagnética. Se espera que esta energía pueda usarse para viajes espaciales creando un motor de fotones similar a una vela solar, solo que en este caso la luz se generará a partir de una fuente interna.
Pero para poder utilizar eficazmente la radiación de un motor a reacción, es necesario resolver el problema de crear un "espejo" que pueda reflejar estos fotones. Después de todo, la nave espacial tiene que alejarse de cierta manera para generar empuje.
Ningún material moderno puede resistir la radiación generada durante una explosión de este tipo y se evaporará instantáneamente. Los hermanos Strugatsky en su novela de ciencia ficción resolvieron este problema creando un "reflector absoluto". En la vida real nadie lo ha hecho todavía. Esta tarea es tanto un problema para la física futura como el problema de crear grandes cantidades de antimateria y su almacenamiento a largo plazo.