Imanes de plasma que utilizan el vuelo dinámico para alcanzar el 2 % de la velocidad de la luz

Existen varios conceptos para explotar el viento solar como medio de propulsión: MagSail, e-sail y el imán de plasma. Todos estos conceptos funcionan predominantemente como dispositivos de arrastre y, por lo tanto, están limitados a velocidades iguales a las del viento solar (~700 km/s), con una capacidad limitada para generar fuerza transversal a la dirección local del viento solar (es decir, sustentación). Una posibilidad interesante para explorar es el vuelo dinámico: explotar la diferencia en la velocidad del viento en dos regiones diferentes del espacio. Se sabe que los albatros y los planeadores utilizan esta técnica, dando vueltas dentro y fuera de las regiones de cizalladura del viento. Birch (JBIS, 1989) sugirió que dicha técnica podría usarse a través de un "Ala MHD" para aplicaciones de viajes interestelares, pero no exploró más el concepto.

Una nave espacial con antena direccional de ondas de plasma que imparte impulso al medio interplanetario o interestelar local, generando una fuerza en la antena (elevación). Se realizan maniobras de vuelo dinámico repetidas para extraer energía y ganar múltiplos de la velocidad del viento solar para alcanzar velocidades hasta diez veces más altas que la velocidad máxima del viento solar y alcanzar aproximadamente el 2% de la velocidad de la luz.

El desarrollo del concepto de interacción con el viento solar como medio de propulsión requerirá una validación experimental por etapas, la primera de las cuales sería la demostración de un arrastre significativo contra el viento solar utilizando una estructura magnética para la propulsión. El imán de plasma parece ser el de mayor rendimiento en términos de aceleraciones de los conceptos de arrastre revisados ​​en la Introducción, por lo que una demostración de la tecnología del imán de plasma parecería ser el siguiente paso lógico. Un estudio reciente ha propuesto un pequeño concepto de demostración de cubesat de 16U denominado Experimento de velocidad de observación de Júpiter (JOVE) que podría transitar por la órbita de Júpiter solo 6 meses después del lanzamiento desde la Tierra. Otra aplicación de la tecnología de imanes de plasma que se desplazan por el viento sería una demostración del acceso rápido a la distancia de la lente gravitacional solar (SGL) (>550 AU). El estudio, llamado Wind Rider Pathfinder Mission, ha demostrado que se podría acceder a la región SGL en menos de 7 años desde el lanzamiento utilizando esta tecnología. Estas misiones innovadoras proporcionarían la validación de que se podría extraer una potencia de propulsión significativa del viento solar, proporcionando una base para el concepto más avanzado de extraer energía eléctrica del viento para la generación de sustentación.

Enviar telescopios a la lente gravitacional solar aumentaría las capacidades de visualización de un telescopio miles de millones de veces porque estaría mirando la luz enfocada por el sol de casi un millón de millas de ancho. un telescopio de lente gravitacional solar. En longitudes de onda ópticas o casi ópticas, la amplificación de la luz es del orden de 200 mil millones de veces y con una resolución angular igualmente impresionante. Si podemos llegar a esta región a partir de 550 AU del Sol, podemos realizar imágenes directas de exoplanetas. Una misión de generación de imágenes es desafiante pero factible, utilizando tecnologías que ya están disponibles o en desarrollo activo. En condiciones realistas, las imágenes de megapíxeles de exoplanetas similares a la Tierra en nuestro vecindario galáctico requieren solo semanas o meses de tiempo de integración, no años como se pensaba anteriormente.

El equipo ha estado investigando el envío de telescopios de un metro unas veinte veces más lejos que Plutón para usar la gravedad del sol que desvía la luz. El sol tiene 865000 millas de ancho, 109 veces más ancho que la tierra. La gravedad te permite aprovechar el sol como un colector de luz gigante. Podemos alejarnos 3 días luz de la Tierra y obtener imágenes de planetas en otros sistemas solares. Sería como si enviáramos una sonda al otro sistema solar.

Si este método funciona, podríamos estar explorando otros sistemas solares en la década de 2030.

Este enfoque se basa en el concepto de un impulsor propulsor que funciona con presión dinámica externa [el llamado impulsor q (Greason, 2019)]; sin embargo, en el concepto actual, no se utiliza masa de reacción a bordo. Al usar la generación de energía externa para acelerar la materia disponible en el viento solar perpendicular al flujo sobre el vehículo, se genera sustentación que es mayor en magnitud que la resistencia generada por el proceso de extracción de energía. El resultado es un tipo de ala generadora de sustentación, pero sin una estructura física. En la Sección 2, se desarrollan en detalle los principios operativos de este mecanismo generador de sustentación. En la Sección 3, se desarrollan conceptos de misiones potenciales utilizando regiones de alta cizalladura del viento disponibles en el Sistema Solar, a saber, la interfaz entre el viento solar rápido (polar) y lento (ecuatorial) y el choque de terminación donde el viento solar vuelve de supersónico a flujo subsónico, para alcanzar velocidades de ≈2% de c.

Varias estructuras en el Sistema Solar ofrecen gradientes de viento lo suficientemente grandes como para realizar maniobras de vuelo dinámico para extraer energía. Tales estructuras incluyen pero no se limitan a: el choque de terminación, la heliopausa, el viento solar lento y rápido y el límite de la magnetosfera planetaria. Si bien la densidad de estas estructuras varía, el análisis de dispositivos de arrastre como el imán de plasma ha demostrado que la extensión de la magnetosfera generada artificialmente alrededor del vehículo se expande naturalmente a medida que disminuye la densidad circundante. Específicamente, la estructura magnética alrededor de la nave espacial se expandirá hasta que la presión magnética coincida con la presión dinámica del viento solar. Este efecto hace que los dispositivos como el imán de plasma arrastren casi constantemente a medida que se alejan del Sol. A los efectos del análisis de este documento, hemos adoptado valores constantes de arrastre y, dado que la potencia de sustentación generada se deriva del movimiento del dispositivo de arrastre a través del plasma, también hemos adoptado valores constantes de sustentación.

Un vehículo (o pájaro) ejecuta una colisión elástica cuando ingresa a la corriente de aire en movimiento a través de una maniobra de peralte de baja resistencia. A medida que el vehículo vuelve a entrar en el aire en reposo, ha ganado el doble de velocidad que la corriente de viento. Para entonces, ladearse en el aire en reposo, el vehículo puede volver a entrar en la corriente de viento y aumentar su velocidad nuevamente, repitiendo la maniobra una y otra vez hasta que las pérdidas de resistencia contrarresten las ganancias de velocidad y se logre una velocidad máxima. Recientemente, los entusiastas de los planeadores de control remoto han logrado velocidades notables que superan los 850 km/h, aproximadamente 10 veces la velocidad del viento, al invocar esta técnica con planeadores que no tienen propulsión a bordo.

Una nave espacial puede interactuar con flujos de gas ionizado en el espacio (el viento solar o el medio interestelar) para acelerarse a velocidades mayores que la velocidad del flujo. Inspirada en las maniobras de vuelo dinámico realizadas por aves marinas y planeadores en las que se aprovechan las diferencias en la velocidad del viento para ganar velocidad, en la técnica propuesta, una nave espacial generadora de sustentación circula entre regiones de la heliosfera que tienen diferentes velocidades del viento, ganando energía en el proceso. sin el uso de propulsor y solo modestos requisitos de energía a bordo.

En el análisis más simple, el movimiento de la nave espacial se puede modelar como una serie de colisiones elásticas entre regiones del medio que se mueven a diferentes velocidades. Se desarrollan modelos más detallados de la trayectoria de la nave espacial para predecir las posibles ganancias de velocidad y la velocidad máxima que se puede lograr en términos de la relación sustentación-resistencia del vehículo. Se propone un mecanismo generador de sustentación en el que se extrae energía del flujo sobre el vehículo en la dirección del vuelo y luego se usa para acelerar el medio circundante en la dirección transversal, generando sustentación (es decir, una fuerza perpendicular al flujo). Se muestra que son posibles valores grandes de la relación sustentación-resistencia en el caso de que se imparta una pequeña velocidad transversal sobre una gran área de interacción. El requisito de una gran área de interacción en la densidad extremadamente baja de la heliosfera impide el uso de un ala física, pero es factible el uso de ondas de plasma generadas por una antena direccional compacta para impartir impulso en el medio circundante, con la excitación de Las ondas R, las ondas X, las ondas de Alfven y las ondas magnetosónicas aparecen como candidatas prometedoras. Se define una misión conceptual en la que se realiza un vuelo dinámico sobre el choque de terminación de la heliosfera, lo que permite que una nave espacial alcance velocidades cercanas al 2% de c dentro de los dos años y medio posteriores al lanzamiento sin gasto de propulsor. La técnica puede comprender la primera etapa de una misión de varias etapas para lograr un verdadero vuelo interestelar a otros sistemas solares.

Las velas solares son el primer ejemplo de una tecnología de propulsión que utiliza los fotones libremente disponibles que emanan del Sol, pero incluso la navegación solar más extrema, lanzada desde cerca del Sol utilizando materiales de temperatura más alta con la densidad de área más baja (por ejemplo, aerografito), solo sería capaz de alcanzar el 2% de c (Heller et al., 2020); las velas solares más convencionales se limitan a menos del 0.5 % de c (Davoyan et al., 2021). Recientemente, Lingam y Loeb (Lingam y Loeb, 2020) han examinado objetos astrofísicos (p. ej., estrellas masivas, supernovas, etc.) que permitirían que una vela ligera impulsada por radiación alcanzara velocidades del 10 % de c o más, pero esto aún deja el problema de cómo la tecnología humana que se origina en el Sistema Solar puede lograr un vuelo interestelar.