Ciencias

Los láseres terrestres pueden acelerar naves espaciales hacia otras estrellas

El futuro de la exploración espacial incluye algunos planes bastante ambiciosos para enviar misiones más lejos de la Tierra que nunca. Además de las propuestas actuales para construir infraestructura en el espacio cis-lunar y enviar misiones tripuladas regulares a la Luna y Marte, también hay planes para enviar misiones robóticas al Sistema Solar exterior, a la distancia focal de la lente gravitacional de la Tierra, nuestro Sol. , e incluso a las estrellas más cercanas para explorar exoplanetas. Lograr estos objetivos requiere una propulsión de última generación que pueda permitir un alto empuje y una aceleración constante.

Los conjuntos de láseres enfocados (o energía dirigida (DE)) y las velas ligeras son medios que se están investigando ampliamente, como por ejemplo Tiro estelar innovador y enjambre de Proxima Centauri. Además de estas propuestas, un equipo de la Universidad McGill de Montreal ha propuesto un nuevo tipo de sistema de propulsión de energía dirigida para explorar el Sistema Solar. En un artículo recienteel equipo compartió los primeros resultados de su Propulsión térmica láser (LTP), lo que sugiere que la tecnología tiene el potencial de proporcionar un alto empuje y impulso específico para misiones interestelares.

El equipo de investigación estuvo dirigido por Gabriel R. DubePasante de Investigación de Pregrado en Grupo de investigación experimental de vuelos interestelares McGill (IFERG) y Profesor Asociado Andres Higgins, el investigador principal de IFERG. Estaban acompañados por Emmanuel Duplayinvestigador graduado de Universidad Técnica de Delft (TU Delft); Siera Riel, Asistente de investigación de verano del IFERG; Es Jason Loiseau, profesor asociado del Real Colegio Militar de Canadá. El equipo presentó sus resultados en el Foro y Exposición de Ciencia y Tecnología AIAA de 2024 y en un artículo publicado en la revista AIAA. Centro de investigación aeroespacial (ARCO).

Concepto artístico de un cohete térmico nuclear bimodal en órbita terrestre baja. Crédito: NASA

Higgins y sus colegas propusieron originalmente este concepto en un artículo de 2022 que apareció en Ley Astronáutica – con derecho «Diseño de una misión de tránsito rápido a Marte mediante propulsión láser térmica.” Como informó Universe Today en ese momento, LTP se inspiró en conceptos interestelares como Tiro de estrella Es Proyecto Libélula. Sin embargo, Higgins y sus asociados en McGill estaban interesados ​​en cómo la misma tecnología podría permitir misiones de tránsito rápido a Marte en sólo 45 días y en todo el Sistema Solar. Este método, argumentaron, también podría validar las tecnologías involucradas y actuar como trampolín para misiones interestelares.

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Como Higgins le dijo a Universe Today por correo electrónico, el concepto surgió durante la pandemia cuando no podían ingresar al laboratorio:

“[M]Mis alumnos hicieron un estudio conceptual detallado sobre cómo podríamos utilizar el tipo de grandes conjuntos de láser previstos para Breakthrough Starshot para una misión de corto plazo al Sistema Solar. En lugar del láser de 10 km de diámetro y 100 GW previsto para Breakthrough Starshot, nos limitamos a un láser de 10 m de diámetro y 100 MW y demostramos que sería capaz de impulsar una nave espacial a corta distancia. Al calentar el propulsor de hidrógeno a 10.000 s de K, el láser permite alcanzar el «Santo Grial» de un alto empuje y un alto impulso específico.

El concepto es similar a propulsión nuclear-termal (NTP), que la NASA y DARPA están desarrollando actualmente para misiones de tránsito rápido a Marte. En un sistema NTP, un reactor nuclear genera calor que hace que el propulsor de hidrógeno o deuterio se expanda, que luego se concentra a través de boquillas para generar empuje. En este caso, los láseres de matriz en fase se enfocan en una cámara de calentamiento de hidrógeno, que luego se expulsa a través de una boquilla para realizar pulsos específicos de 3.000 segundos. Desde que Higgins y sus estudiantes regresaron al laboratorio, dijo, han estado tratando de verificar experimentalmente su idea:

“Obviamente, no tenemos un láser de 100 MW en McGill, pero ahora tenemos un láser de 3 kilovatios instalado en el laboratorio (lo cual da bastante miedo) y estamos estudiando cómo el láser acoplaría su energía a un propulsor (eventualmente hidrógeno, pero por ahora argón simplemente porque es más fácil de ionizar). El artículo de AIAA informa sobre el diseño, construcción y 'remodelación' de nuestra instalación láser de 3 kW”.

Impresión artística de una vela láser con propulsión de energía dirigida en acción. Crédito: Q. Zhang/deepspace.ucsb.edu

Higgins y su equipo construyeron un dispositivo que contenía de 5 a 20 barras de gas argón estático a partir de sus pruebas. Aunque el concepto final utiliza gas hidrógeno como propulsor, utilizaron gas argón para las pruebas porque es más fácil de ionizar. Luego dispararon el láser de 3 kW en pulsos a una frecuencia de 1.070 nanómetros (correspondiente a la longitud de onda del infrarrojo cercano) para determinar el umbral de potencia requerido para el plasma sostenido por láser (LSP). Sus resultados indicaron que alrededor del 80% de la energía del láser se depositó en el plasma, lo que concuerda con estudios anteriores.

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Los datos espectrales y de presión que adquirieron también revelaron la temperatura máxima del LSP con el gas de trabajo, aunque enfatizan que se necesita más investigación para obtener resultados concluyentes. También enfatizaron que se necesita un aparato dedicado para realizar pruebas de flujo forzado y otras pruebas de LSP. Por último, el equipo planea realizar mediciones de empuje a finales de este año para evaluar cuánta aceleración (delta-v) e impulso específico (Isp) un sistema de propulsión térmica láser podría proporcionar futuras misiones a Marte y otros planetas del Sistema Solar.

Si la tecnología está a la altura de la tarea, ¡podríamos estar ante un sistema capaz de llevar astronautas a Marte en semanas en lugar de meses! Otros conceptos seleccionados para el NIAC de este año incluyen pruebas para evaluar sistemas de hibernación para misiones de larga duración en microgravedad. Solas o combinadas, estas tecnologías podrían permitir misiones de tránsito rápido que requieran menos carga y suministros y minimicen la exposición de los astronautas a la microgravedad y la radiación.

Otras lecturas: AIAA, Ley Astronáutica

Prudencia Febo

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