agosto 19, 2022

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Estudio: el proyecto de estatorreactor de 1960 para viajes interestelares, un elemento básico de la ciencia ficción, es inviable

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Ampliar / Impresión artística del sistema de propulsión Ramjet propuesto en 1960 por el físico Robert W. Bussard

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En la novela de 1970 de Poul Anderson Número cero, la tripulación de una nave espacial busca viajar a la estrella Beta Virginis con la esperanza de colonizar un nuevo planeta. El modo de propulsión del barco se conocía como «estatorreactor bussard,«un medio real (aunque hipotético) de propulsión propuesto por el físico Robert W. Bussard solo una década antes. Ahora, los físicos han revisado este mecanismo inusual para los viajes interestelares en un nuevo rol publicado en la revista Acta Astronautica, y desafortunadamente encontraron que faltaba el estatorreactor. Es factible desde el punto de vista de la física pura, pero los desafíos de ingeniería asociados son actualmente insuperables, concluyeron los autores.

Un estatorreactor es básicamente un motor a reacción que «respira» aire. El mejor análogo del motor fundamental es que explota el movimiento de avance del motor para comprimir el aire entrante sin necesidad de compresores, lo que hace que los motores estatorreactores sean más ligeros y sencillos que los turborreactores. Un inventor francés llamado Rene Lorin recibió una patente en 1913 por su concepto de un estatorreactor (también conocido como estufa volante), aunque no pudo construir un prototipo viable. Dos años más tarde, Albert Fonó propuso una unidad de propulsión ramjet para aumentar el alcance de los proyectiles lanzados con armas y finalmente obtuvo una patente alemana en 1932.

Un estatorreactor básico tiene tres componentes: una entrada de aire, una cámara de combustión y una boquilla. El escape caliente de la combustión del combustible fluye a través de la boquilla. La presión de combustión debe ser mayor que la presión de salida de la boquilla para mantener un flujo constante, que un motor estatorreactor logra «forzando» el aire exterior al interior de la cámara de combustión con la velocidad de avance de cualquier vehículo que se mueva por motor. No es necesario llevar oxígeno a bordo. La desventaja es que los estatorreactores solo pueden producir empuje si el vehículo ya se está moviendo, por lo que requieren un despegue asistido por cohete. Como tales, los estatorreactores son más útiles como medio de aceleración, como para misiles propulsados ​​por estatorreactor o para aumentar el alcance de los proyectiles de artillería.

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Operación de ramjet simple, con números de flujo de Mach mostrados.
Ampliar / Operación de ramjet simple, con números de flujo de Mach mostrados.

Robert Bussard pensó que el concepto podría modificarse como un medio de propulsión interestelar. La premisa básica esbozada en tu papel de 1960 consiste en recolectar protones interestelares (hidrógeno ionizado) utilizando enormes campos magnéticos como una «cáscara de carnero». Los protones se comprimirían hasta producir una fusión termonuclear y los campos magnéticos desviarían esa energía hacia el escape del cohete para producir el empuje. Cuanto más rápido viaja la nave, mayor es el flujo de protones y mayor el empuje.

Pero luego los científicos descubrieron que había una densidad de hidrógeno mucho menor en las regiones del espacio fuera de nuestro sistema solar. Y por eso, en un periódico de 1969, John F. Fishback propuso un posible campo magnético funcional, teniendo en cuenta factores como las pérdidas de radiación y la distribución térmica del gas interestelar.

En particular, Fishback calculó cuál sería la velocidad de corte. «Cuanto más rápida es la nave espacial, más altas son las líneas del campo magnético que las enfoca en el reactor de fusión», explicaron los autores de este último artículo. «Un campo más fuerte induce mayores tensiones mecánicas». Fishback concluyó que un estatorreactor interestelar solo podía acelerar constantemente hasta un cierto límite de velocidad, en cuyo punto tendría que acelerar hacia atrás para que la fuente magnética no golpeara un punto de ruptura.

Es la solución Fishback que se examinó en este último artículo. «Definitivamente vale la pena investigar la idea», dijo el coautor Peter Schattschneider, autor de ciencia ficción y físico de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien). «En el espacio interestelar, hay gas altamente diluido, principalmente hidrógeno, aproximadamente un átomo por centímetro cúbico. Si recolectaras el hidrógeno frente a la nave espacial, como en un embudo magnético, con la ayuda de enormes campos magnéticos, podrías usarlo para operar un reactor de fusión y acelerar la nave espacial «.

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Él y su coautor, Albert Jackson, de Triton Systems en los Estados Unidos, confiaron en el software desarrollado en TU Wien para calcular campos electromagnéticos en microscopía electrónica. Sus cálculos mostraron que la propuesta de Fishback de excavación magnética (o captura de partículas) para un estatorreactor Bussard es físicamente viable. De hecho, la partícula puede ser recolectada por un campo magnético y guiada hacia un reactor de fusión, logrando una aceleración a velocidades relativistas.

Sin embargo, los autores también encontraron que se necesitarían bobinas magnéticas absurdamente largas para que el embudo alcanzara un empuje de 10 millones de newtons (el doble de la propulsión del transbordador espacial). Y este embudo debería tener un diámetro de 4.000 kilómetros. En consecuencia, visitar el centro galáctico en una nave espacial propulsada a chorro Bussard en el transcurso de una vida es inviable. De hecho, «Es muy poco probable que incluso Civilizaciones Kardashev Tipo II pueden construir estatorreactores magnéticos con solenoides axiales «, concluyeron los autores (como referencia, los humanos en la Tierra aún no han alcanzado una civilización de Tipo I).

DOS: Ley de Astronáutica, 2021. 10.1016 / j.actaastro.2021.10.039 (sobre DOS)

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