Ímãs de plasma usando subida dinâmica para atingir 2% da velocidade da luz

Existem vários conceitos para explorar o vento solar como meio de propulsão: o MagSail, a vela eletrônica e o ímã de plasma. Todos esses conceitos funcionam predominantemente como dispositivos de arrasto e, portanto, são limitados a velocidades iguais às do vento solar (~700 km/s), com capacidade apenas limitada de gerar força transversal à direção local do vento solar (ou seja, sustentação). Uma possibilidade interessante a ser explorada é a subida dinâmica: explorar a diferença na velocidade do vento em duas regiões diferentes do espaço. Sabe-se que albatrozes e planadores usam essa técnica, circulando dentro e fora de regiões de cisalhamento do vento. Birch (JBIS, 1989) sugeriu que tal técnica poderia ser usada através de uma “asa MHD” para aplicações de viagens interestelares, mas não explorou mais o conceito.

Uma espaçonave com antena direcional de ondas de plasma que transmite impulso ao meio interplanetário ou interestelar local, gerando uma força na antena (elevação). Manobras dinâmicas repetidas são feitas para extrair energia e ganhar múltiplos da velocidade do vento solar para atingir velocidades até dez vezes maiores que a velocidade máxima do vento solar e atingir cerca de 2% da velocidade da luz.

O desenvolvimento do conceito de interação com o vento solar como meio de propulsão exigirá validação experimental em etapas, a primeira das quais seria a demonstração de arrasto significativo contra o vento solar utilizando uma estrutura magnética para propulsão. O ímã de plasma parece ter o melhor desempenho em termos de acelerações dos conceitos de arrasto revisados ​​na Introdução, portanto, uma demonstração da tecnologia do ímã de plasma pareceria ser o próximo passo lógico. Um estudo recente propôs um pequeno conceito de demonstrador de cubos de 16U denominado Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) que poderia transitar pela órbita de Júpiter apenas 6 meses após o lançamento da Terra. Outra aplicação da tecnologia de ímã de plasma movido pelo vento seria uma demonstração de acesso rápido à distância da lente gravitacional solar (SGL) (> 550AU). O estudo, denominado Wind Rider Pathfinder Mission, mostrou que a região SGL poderia ser acessada em menos de 7 anos a partir do lançamento usando esta tecnologia. Estas missões inovadoras forneceriam a validação de que uma energia propulsiva significativa poderia ser extraída do vento solar, fornecendo uma base para o conceito mais avançado de extração de energia elétrica do vento para geração de sustentação.

Enviar telescópios para as lentes gravitacionais solares aumentaria as capacidades de visualização de um telescópio bilhões de vezes, porque estaria olhando para a luz focada pelo sol de quase um milhão de milhas de largura. um telescópio solar de lente gravitacional. Em comprimentos de onda ópticos ou quase ópticos, a amplificação da luz é da ordem de 200 bilhões de vezes e com resolução angular igualmente impressionante. Se conseguirmos chegar a esta região a partir de 550 UA do Sol, poderemos realizar imagens diretas de exoplanetas. Uma missão de imagem é desafiadora, mas viável, utilizando tecnologias já disponíveis ou em desenvolvimento ativo. Em condições realistas, a imagem em megapixels de exoplanetas semelhantes à Terra na nossa vizinhança galáctica requer apenas semanas ou meses de tempo de integração, e não anos como se pensava anteriormente.

A equipe tem investigado o envio de telescópios de um metro cerca de vinte vezes mais longe do que Plutão para usar a gravidade da luz do Sol. O sol tem 865000 milhas de diâmetro, o que é 109 vezes mais largo que a Terra. A gravidade permite aproveitar o sol como um coletor de luz gigante. Podemos nos afastar 3 dias-luz da Terra e imaginar planetas em outros sistemas solares. Seria como se tivéssemos enviado uma sonda para outro sistema solar.

Se este método funcionar, poderemos explorar outros sistemas solares na década de 2030.

Esta abordagem baseia-se no conceito de um propulsor que é alimentado por pressão dinâmica externa [o chamado q-drive (Greason, 2019)], porém, no presente conceito, nenhuma massa de reação a bordo é utilizada. Ao usar a geração de energia externa para acelerar a matéria disponível no vento solar perpendicular ao fluxo sobre o veículo, é gerada uma sustentação maior em magnitude do que o arrasto gerado pelo processo de extração de energia. O resultado é uma espécie de asa geradora de sustentação, mas sem estrutura física. Na Seção 2, os princípios operacionais deste mecanismo gerador de sustentação são desenvolvidos em detalhes. Na Seção 3, conceitos de missão potencial são desenvolvidos utilizando regiões de alto cisalhamento do vento disponíveis no Sistema Solar, ou seja, a interface entre o vento solar rápido (polar) e lento (equatorial) e o choque final onde o vento solar reverte de supersônico para fluxo subsônico, para atingir velocidades de ≈2% de c.

Várias estruturas no Sistema Solar oferecem gradientes de vento grandes o suficiente para manobras dinâmicas de subida para extrair energia. Tais estruturas incluem, mas não estão limitadas a: o choque de terminação, a heliopausa, o vento solar lento e rápido e o limite da magnetosfera planetária. Embora a densidade destas estruturas varie, a análise de dispositivos de arrasto, como o íman de plasma, mostrou que a extensão da magnetosfera gerada artificialmente em torno do veículo se expande naturalmente à medida que a densidade circundante diminui. Especificamente, a estrutura magnética ao redor da espaçonave se expandirá até que a pressão magnética corresponda à pressão dinâmica do vento solar. Este efeito faz com que dispositivos como o ímã de plasma tenham um arrasto quase constante à medida que se afastam do Sol. Para fins de análise neste artigo, adotamos valores constantes de arrasto e, como a força de sustentação gerada deriva do movimento do dispositivo de arrasto através do plasma, também valores constantes de sustentação.

Um veículo (ou pássaro) executa uma colisão elástica ao entrar na corrente de ar em movimento por meio de uma manobra bancária de baixo arrasto. À medida que o veículo entra novamente no ar parado, ele ganha o dobro da velocidade da corrente de vento. Ao então inclinar-se no ar parado, o veículo pode reentrar na corrente de vento e aumentar sua velocidade novamente, repetindo a manobra indefinidamente até que as perdas de arrasto neutralizem os ganhos de velocidade e uma velocidade máxima seja alcançada. Recentemente, entusiastas de planadores controlados remotamente alcançaram velocidades notáveis ​​superiores a 850 km/h – aproximadamente 10 vezes a velocidade do vento – invocando esta técnica com planadores que não possuem propulsão a bordo.

Uma espaçonave pode interagir com fluxos de gás ionizado no espaço (o vento solar ou o meio interestelar) para ser acelerada a velocidades maiores que a velocidade do fluxo. Inspirada nas manobras dinâmicas de subida realizadas por aves marinhas e planadores, nas quais as diferenças na velocidade do vento são exploradas para ganhar velocidade, na técnica proposta, uma espaçonave geradora de sustentação circula entre regiões da heliosfera que possuem diferentes velocidades de vento, ganhando energia no processo. sem o uso de propelente e apenas com requisitos modestos de energia a bordo.

Na análise mais simples, o movimento da espaçonave pode ser modelado como uma série de colisões elásticas entre regiões do meio movendo-se em velocidades diferentes. Modelos mais detalhados da trajetória da espaçonave são desenvolvidos para prever os ganhos potenciais de velocidade e a velocidade máxima que pode ser alcançada em termos da relação sustentação-arrasto do veículo. É proposto um mecanismo de geração de sustentação no qual a potência é extraída do fluxo sobre o veículo na direção do vôo e então usada para acelerar o meio circundante na direção transversal, gerando sustentação (isto é, uma força perpendicular ao fluxo). Grandes valores da relação sustentação-arrasto são possíveis no caso em que uma pequena velocidade transversal é transmitida sobre uma grande área de interação. A exigência de uma grande área de interação na densidade extremamente baixa da heliosfera impede o uso de uma asa física, mas o uso de ondas de plasma geradas por uma antena direcional compacta para transmitir impulso ao meio circundante é viável, com a excitação de Ondas R, ondas X, ondas Alfven e ondas magnetosônicas aparecem como candidatas promissoras. É definida uma missão conceitual na qual a subida dinâmica é realizada no choque final da heliosfera, permitindo que uma espaçonave atinja velocidades próximas a 2% de c dentro de dois anos e meio após o lançamento, sem o gasto de propelente. A técnica pode compreender o primeiro estágio de uma missão de vários estágios para alcançar um verdadeiro voo interestelar para outros sistemas solares.

As velas solares são o primeiro exemplo de tecnologia de propulsão que utiliza os fótons disponíveis gratuitamente emanados do Sol, mas mesmo a navegação solar mais extrema - lançada perto do Sol usando materiais de temperatura mais alta com densidade de área mais baixa (por exemplo, aerografite) - só seria capaz de atingir 2% de c (Heller et al., 2020); velas solares mais convencionais são limitadas a menos de 0.5% de c (Davoyan et al., 2021). Recentemente, Lingam e Loeb (Lingam e Loeb, 2020) examinaram objetos astrofísicos (por exemplo, estrelas massivas, supernovas, etc.) que permitiriam que uma vela leve impulsionada por radiação atingisse velocidades de 10% de c ou mais, mas isso ainda deixa o problema de como a tecnologia humana originária do Sistema Solar pode alcançar o voo interestelar.