Navegación con cizallamiento de pellets de viento: partes del sistema para que la nave espacial alcance el 25% de la velocidad de la luz

Jeff Greason describe cómo pasar del 2% de la velocidad de la luz utilizando el viento solar dinámico y luego usando pellets propulsados ​​por el sol para pasar del 2% al 6% de la velocidad de la luz utilizando la tecnología existente a corto plazo. Al 6% de la velocidad de la luz, las partículas en el medio interestelar interactúan con la nave espacial como si estuviera más allá del nivel de energía de fusión nuclear. La energía de alta intensidad se toma y se utiliza para impulsar la propulsión hasta alcanzar el 25% de la velocidad de la luz. El imán de plasma utilizado durante la fase de ascenso dinámico del viento solar se utiliza para frenar hacia la estrella objetivo.

Éstas son formas inteligentes de aprovechar tecnologías de relativamente corto plazo para alcanzar el 25% de la velocidad de la luz con sondas y posiblemente incluso naves espaciales tripuladas. Los métodos para llegar al 2% de la velocidad de la luz en dos años son todo lo que se necesita para viajar dentro del sistema solar e igualar los puntos de las lentes gravitacionales que comienzan aproximadamente una docena de veces más lejos que Plutón. Ir a las áreas de lentes gravitacionales permite que un pequeño telescopio utilice el Sol como lente para volverse 2 mil millones de veces más poderoso. Podemos explorar previamente todos los sistemas solares dentro de miles de años luz con millones de telescopios espaciales. Luego elegimos enviar sondas reales a los mejores sistemas solares que ya habremos comenzado a explorar con observatorios enviados a puntos de observación a 10 días luz alrededor del Sol.

Obtener la energía cinética necesaria para los vuelos interestelares de forma asequible es difícil y aprovechar las fuentes naturales de energía existentes, como el viento solar, resulta atractivo para reducir costes. Sin embargo, existe una brecha en los conceptos publicados, ya que las velocidades del viento solar están limitadas a ~700 km/s, mientras que incluso con conceptos como el impulso de reacción impulsado por el viento ('q'-drive), velocidades de ~5% de c debe ser alcanzado antes de que puedan tomar el control. Ha faltado una forma rentable de llenar ese vacío.

Las bolas de aerógrafo se pueden lanzar cerca del sol y acelerarán hasta aproximadamente el 5% de la velocidad de la luz. El aerógrafo es una espuma ultrafina y 15,000 veces más ligera que el aluminio.

Objetivo: demostrar un método mediante el cual se pueden utilizar bolitas inertes, aceleradas por el viento solar, para acelerar una nave espacial desde velocidades del viento solar de hasta ~5% de c.

Métodos: Cálculos de física clásica para respaldar la física básica y la viabilidad del enfoque.

Resultados: Cuando dos corrientes de materia están próximas pero con velocidades diferentes, o cuando se mueven a través del mismo espacio pero con velocidades diferentes y propiedades distinguibles, la diferencia de velocidades, o corte de velocidad, se puede utilizar para ganar energía de propulsión. Una corriente de perdigones que se mueven a través del medio interestelar es un ejemplo de tal caso. La propulsión mediante perdigones es una idea explorada en la técnica anterior que requiere perdigones de alta velocidad; La extracción de trabajo útil de la diferencia de velocidad entre los perdigones y el medio interestelar permite que una nave que corre sobre los perdigones y también extraiga energía del paso a través del medio interestelar gane energía de propulsión incluso cuando sea más rápida que los perdigones e incluso cuando los perdigones están compuestos de masa de reacción inerte. Se analiza la física básica de esto y las ecuaciones de rendimiento, y se analiza esto en el contexto del uso de gránulos relativamente lentos (acelerados por el viento solar) para enviar una nave espacial a un múltiplo sustancial de la velocidad del viento solar. Otro caso en el que pequeñas macropartículas y un viento de plasma se encuentran a diferentes velocidades es el sistema solar interior en el plano de la eclíptica, donde el viento solar y el polvo zodiacal tienen diferentes distribuciones de velocidades; esto puede ofrecer más aplicaciones del mismo principio.

Arxiv: precursor de bajo costo de una misión interestelar

La presión de los fotones solares proporciona una fuente viable de empuje para las naves espaciales del sistema solar. En teoría, también podría permitir misiones interestelares, pero se necesita una masa extremadamente pequeña por área de sección transversal para vencer la gravedad solar. Identificamos el aerógrafo, una espuma sintética a base de carbono con una densidad de 0.18 kg m-3 (15,000 veces más ligera que el aluminio) como un material versátil para una propulsión altamente eficiente con luz solar. Una esfera hueca de aergrafito con un espesor de capa shl = 1 mm podría volverse interestelar al someterse a la radiación solar en el espacio interplanetario. Tras su lanzamiento a 1 AU del Sol, una capa de aerógrafo con shl = 0.5 mm llega a la órbita de Marte en 60 días y a la órbita de Plutón en 4.3 años. La liberación de una esfera hueca de aerógrafo, cuya capa tiene 1 µm de espesor, a 0.04 AU (la aproximación más cercana de la sonda solar Parker) da como resultado una velocidad de escape de casi 6900 km s-1 y 185 años de viaje hasta la distancia de nuestra sonda solar más cercana. estrella Próxima Centauri. La firma infrarroja de una vela de aerógrafo del tamaño de un metro podría observarse con JWST hasta a 2 AU del Sol, más allá de la órbita de Marte. Una esfera hueca de aerógrafo, cuya capa tiene 100 µm de espesor, de 1 m (5 m) de radio, pesa 230 mg (5.7 g) y tiene un margen de masa de 2.2 g (55 g) para permitir el escape interestelar. El margen de carga útil es diez veces la masa de la nave espacial, mientras que la carga útil de los cohetes interestelares químicos suele ser una milésima parte del peso del cohete. Utilizando 1 g (10 g) de este margen (por ejemplo, para tecnología de comunicación en miniatura con la Tierra), alcanzaría la órbita de Plutón 4.7 años (2.8 años) después del lanzamiento interplanetario a 1 UA. Una comunicación simplista permitiría estudios del medio interplanetario y la búsqueda del supuesto Planeta Nueve, y serviría como misión precursora a αCentauri. Estimamos los costos de desarrollo del prototipo en 1 millón de dólares, un precio de 1000 dólares por vela y un total de < 10 millones de dólares incluido el lanzamiento de un concepto a cuestas con una misión interplanetaria.

Una tecnología desarrollada bajo el patrocinio del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC), el Imán de Plasma, ofrece un camino para maniobras de alta aceleración en el viento solar, incluidos tránsitos rápidos a planetas exteriores y a la Lente Gravitacional Solar.

El Comité Técnico de Propulsión de Vuelo Futuro y Nuclear de la AIAA ha patrocinado un estudio de diseño conceptual de una misión de demostración, JOVE. Si se vuela, JOVE proporcionaría la demostración de vuelo crítica de esta tecnología. La nave espacial propulsada por energía solar pesaría aproximadamente 25 kilogramos y llegaría a Júpiter en tres semanas alcanzando la asombrosa velocidad de 300 kilómetros por segundo. El Sr. Greason repasó los desafíos de diseño clave descubiertos durante el diseño conceptual, revisó el estado actual y discutió los posibles próximos pasos.

Jeff Greason es un emprendedor e innovador con 25 años de experiencia en la industria espacial comercial. Es el tecnólogo jefe de Electric Sky, y desarrolla energía inalámbrica de largo alcance para propulsión y otros fines; y presidente de la Fundación Tau Zero, que desarrolla tecnologías de propulsión avanzadas para el sistema solar y misiones interestelares. Ha participado activamente en el desarrollo de la regulación espacial comercial y formó parte de la Comisión Presidencial de Agustín en 2009. Jeff fue cofundador de XCOR Aerospace y se desempeñó como director ejecutivo desde 1999 hasta principios de 2015. Anteriormente, fue líder del equipo de motores de cohetes en Rotary Rocket y gerente de ingeniería en desarrollo de tecnología de chips en Intel. Posee 28 patentes estadounidenses y recientemente ha publicado artículos sobre conceptos novedosos de propulsión espacial. También es gobernador de la Sociedad Espacial Nacional.