¿Podría un láser enviar una nave espacial a Marte?? Esa es una misión propuesta de un grupo de la Universidad McGill, diseñado para cumplir con una solicitud de la NASA. El láser, Una amplia gama de 10 metros en la Tierra, calentaría el plasma de hidrógeno en una cámara detrás de la nave espacial, produciendo empuje a partir de gas hidrógeno y enviándolo a Marte en solo 45 días. Allí, se acariciaría en la atmósfera de Marte, trasladando suministros a colonos humanos o, tal vez algún día, incluso a los propios humanos.
En 2018, la NASA desafió a los ingenieros a diseñar una misión a Marte que entregaría una carga útil de al menos 1,000 kilogramos en no más de 45 días, así como viajes más largos dentro y fuera del sistema solar. El corto tiempo de entrega está motivado por el deseo de transportar envíos y, algún día, astronautas a Marte mientras minimiza su exposición a los efectos dañinos de los rayos cósmicos galácticos y las tormentas solares. El SpaceX de Elon Musk imagina que un viaje humano a Marte tomaría seis meses con sus cohetes de base química.
Nave espacial propulsada termal láser en órbita terrestre en espera de su partida.
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El concepto de McGill, llamado propulsión termal láser, se basa en una matriz de láseres infrarrojos basados en la Tierra, de 10 metros de diámetro, que combina muchos haces infrarrojos invisibles, cada uno con una longitud de onda de aproximadamente un micrón, para un total potente de 100 megavatios: la energía eléctrica requerida para aproximadamente 80,000 hogares estadounidenses. La carga útil, orbitando en una órbita terrestre mediana elíptica, tendría un reflector que dirige el rayo láser que viene de la Tierra a una cámara de calentamiento que contiene un plasma de hidrógeno. Con su núcleo calentado hasta 40,000 grados Kelvin (72,000 grados Fahrenheit), el gas hidrógeno que fluye alrededor del núcleo alcanzaría los 10,000 K (18,000 grados Fahrenheit) y sería expulsado por una boquilla, creando un empuje para impulsar la nave lejos de la Tierra durante un intervalo de 58 minutos. (Los propulsores laterales mantendrían la nave alineada con el rayo del láser a medida que la Tierra gira.)
Cuando se detiene el rayo, la carga útil se aleja a una velocidad de casi 17 kilómetros por segundo en relación con la Tierra, lo suficientemente rápido como para pasar la distancia orbital de la luna en solo ocho horas. Cuando llegue a la atmósfera marciana en un mes y medio, seguirá viajando a 16 km / s; sin embargo, una vez allí, colocar la carga útil en una órbita de 150 km alrededor de Marte es un problema difícil de resolver para el equipo de ingeniería.
Te puede interesar:Lemon Grove, California, es conocida por su limón gigante … y sus cuerpos momificadosEs difícil porque la carga útil no puede transportar un propulsor químico para disparar un cohete para desacelerarse: el combustible necesario reduciría la masa de carga útil a menos del 6 por ciento de los 1,000 kilogramos originales. Y hasta que los humanos en el planeta rojo puedan construir una matriz láser equivalente para que la nave entrante use su reflector y cámara de plasma para proporcionar empuje inverso, la aerocaptura es la única forma de desacelerar la carga útil en Marte.
Incluso entonces, La aerocaptura, o aerobraking, en la atmósfera de Marte podría ser una maniobra incierta, con la nave espacial experimentando desaceleraciones de hasta 8 g (donde g es la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra, 9.8 m / s2) sobre el límite humano, por solo unos minutos, ya que se captura dentro de un solo paso alrededor de Marte. Los grandes flujos de calor en la nave debido a la fricción atmosférica estarían por encima de los materiales tradicionales del sistema de protección térmica, pero no aquellos en desarrollo activo.
Propulsión termal láser de nave espacial en el espacio profundo—Marte y más—contraste con otros métodos de transporte propuestos previamente, como la propulsión láser-eléctrica, en el que un rayo láser afectaría a la energía fotovoltaica (PV) celdas detrás de la carga útil; propulsión solar-eléctrica, en el que la luz solar en las células fotovoltaicas crea el empuje propulsivo; propulsión nuclear-eléctrica, en el que un reactor nuclear crea electricidad que produce iones propulsados por un propulsor; y propulsión nuclear-térmica, en el que el calor de un reactor nuclear convierte el líquido en un gas que impulsa una boquilla para crear empuje.
Te puede interesar:Lockheed Martin construirá un cohete para recuperar muestras de Marte a la Tierra“La propulsión termal con láser permite misiones de transporte rápido de 1 tonelada con matrices láser del tamaño de una cancha de voleibol—algo que la propulsión láser-eléctrica solo puede hacer con matrices de clase kilómetro,»dice Emmanuel Duplay, autor principal en el estudio, quien trabajó en el proyecto durante dos años mientras era parte del Programa de Investigación de Ingeniería de Pregrado de Verano de la Universidad McGill. Duplay se encuentra ahora en el Programa de Maestría en Ciencias de la Universidad Tecnológica de Delft en Ingeniería Aeroespacial con especialización en Vuelo Espacial.
Una gran ventaja del concepto de misión de propulsión termal láser presentado por Duplay et al. es su relación masa-potencia extremadamente baja, en el rango de 0.001–0.010 kg / kW— «sin paralelo», escriben, «muy por debajo de incluso los citados para tecnologías avanzadas de propulsión nuclear, debido al hecho de que la fuente de energía permanece en la Tierra y el flujo entregado puede ser procesado por un reflector inflable de baja masa.»
La propulsión termal láser se había estudiado por primera vez en la década de 1970 utilizando láseres de CO2 de 10,6 micras, los más potentes de la época. Los láseres de fibra óptica actuales, de una micra, que se pueden combinar en matrices escalonadas masivamente paralelas con un diámetro grande y efectivo, significa una distancia focal de suministro de energía en dos órdenes de magnitud más alta: 50,000 km en el láser de Duplay. concepto de propulsión térmica.
Te puede interesar:ARQUEOLOGÍA DE LONDRES DIG: LOS ESQUELETOS REVELAN LOS ENTORNOS NOXIOSOS EN LA BRETAÑA INDUSTRIAL TEMPRANADuplay explica que un grupo dirigido por el físico Philip Lubin en la Universidad de California en Santa Bárbara está desarrollando una arquitectura para láseres de matriz en fase. La matriz del grupo de Lubin utiliza amplificadores láser individuales de aproximadamente 100 vatios cada uno: cada amplificador es un bucle simple de fibra óptica y una luz LED como bomba, y puede producirse en masa de manera económica, por lo que la misión de Marte prevista aquí requeriría un orden de 1 millón de amplificadores individuales.
«Sin embargo, a medida que más humanos hagan el viaje para mantener una colonia a largo plazo, necesitaremos sistemas de propulsión que nos lleven allí más rápido, aunque solo sea para evitar riesgos de radiación», dice Duplay.
Una misión termal láser a Marte podría lanzarse 10 años después de las primeras misiones humanas, especula, así que quizás alrededor de 2040.
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En este sentido, te invitamos a ver el siguiente video que explora cómo las naves espaciales impulsadas por láser podrían revolucionar los viajes interplanetarios, permitiendo llegar a Marte en tan solo 45 días.