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

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

NASA

En la novela de 1970 de Poul Anderson Número cero, la tripulación de una nave espacial intenta llegar a la estrella Beta Virginis con la esperanza de colonizar un nuevo planeta. El modo de propulsión del barco era un llamado «Estatorreactor Bussard,«un medio real (aunque hipotético) de propulsión que había sido 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 periódico publicado en la revista Acta Astronautica y, lamentablemente, encontraron que el ramjet era deficiente. 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 para el mecanismo fundamental es que aprovecha el movimiento de avance del motor para comprimir el aire entrante sin la necesidad de compresores, lo que hace que los motores estatorreactores sean más ligeros y sencillos que sus homólogos turborreactores. Un inventor francés llamado Rene Lorin recibió una patente en 1913 por su concepto de un estatorreactor (también conocido como una chimenea voladora), aunque no pudo construir un prototipo viable. Dos años después, Albert Fonó propuso una unidad de propulsión ramjet para aumentar el alcance de los proyectiles lanzados por los cañones 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 más alta que la presión en la salida de la boquilla para mantener un flujo constante, que un motor de chorro de aire logra «empujando» aire externo hacia la cámara de combustión con la velocidad de avance de cualquier vehículo impulsado por el motor. No es necesario llevar oxígeno a bordo. La desventaja es que los estatorreactores solo pueden producir empuje si el vehículo ya está en movimiento, por lo que requieren un despegue asistido con cohetes. Como tales, los estatorreactores son muy 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 Mach de flujo mostrados.
Acercarse / Operación de ramjet simple, con números de Mach de flujo mostrados.

Robert Bussard pensó que el concepto podría modificarse como un medio para la propulsión interestelar. La premisa básica esbozada en su artículo de 1960 consiste en recolectar protones interestelares (hidrógeno ionizado) utilizando enormes campos magnéticos como una «pala de ram». Los protones se comprimirían para producir una fusión termonuclear y los campos magnéticos desviarían esa energía hacia los escapes del cohete para producir el empuje. Cuanto más rápido viajaba la nave, mayor era el flujo de protones y mayor era 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. Aquí porque 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.

Específicamente, Fishback calculó cuál sería la velocidad límite. «Cuanto más rápida es la nave, más altas son las líneas de campo magnético que las enfocan en el reactor de fusión», explicaron los autores de este último artículo. «Un campo más fuerte induce mayores tensiones mecánicas». Fishback concluyó que un autorreactor interestelar solo podría acelerar de manera constante hasta un cierto umbral de velocidad, momento en el que tendría que reducir la velocidad, para que la fuente magnética no alcanzara un punto de ruptura.

Es la solución de Fishback la que se revisó en este último artículo. «La idea ciertamente merece ser estudiada», 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, alrededor de 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 usar para hacer funcionar 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 atrapamiento de partículas) para un estatorreactor Bussard es físicamente factible. De hecho, la partícula puede ser recogida por un campo magnético y guiada en un reactor de fusión, obteniendo aceleraciones hasta velocidades relativistas.

Sin embargo, los autores también encontraron que se necesitarían bobinas magnéticas absurdamente largas para el embudo para lograr un empuje de 10 millones de newtons (el doble de la propulsión del transbordador espacial). Y ese embudo debería tener un diámetro de 4.000 kilómetros. Por lo tanto, visitar el centro galáctico en una nave espacial propulsada por estatorreactor Bussard dentro de una vida no es práctico. De hecho, «es muy poco probable que también Civilización Kardashev tipo II podría construir estatorreactores magnéticos con solenoides axiales «, concluyeron los autores (como referencia, los humanos en la Tierra aún tienen que lograr una civilización de Tipo I).

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

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