¿Podría un láser enviar una nave espacial a Marte?
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Esa es una misión propuesta por un grupo de la Universidad McGill, diseñada para cumplir con una solicitud de la NASA. El láser, una matriz de 10 metros de ancho en la Tierra, calentaría el plasma de hidrógeno en una cámara detrás de la nave espacial, produciendo un empuje a partir del gas de hidrógeno y enviándolo a Marte en solo 45 días. Allí, aerofrenaría en la atmósfera de Marte, transportando suministros a los colonos humanos o, quizás algún día, incluso a los propios humanos.
El telescopio reflector newtoniano Omegon 150/750 EQ-3 se presenta como instrumento ideal para iniciar la observación astronómica. Se distingue por un sistema óptico bueno y una montura muy estable.
En 2018, la NASA desafió a los ingenieros a diseñar una misión a Marte que entregaría una carga útil de al menos 1,000 kilogramos en no más de 45 días, así como viajes más largos dentro y fuera del sistema solar. El corto plazo de entrega está motivado por el deseo de transportar envíos y, algún día, astronautas a Marte, minimizando al mismo tiempo su exposición a los efectos dañinos de los rayos cósmicos galácticos y las tormentas solares. SpaceX de Elon Musk prevé que un viaje humano a Marte tomaría seis meses con sus cohetes basados en productos químicos.
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El concepto de McGill, llamado propulsión térmica por láser, se basa en una serie de láseres infrarrojos con base en la Tierra, de 10 metros de diámetro, que combinan muchos rayos infrarrojos invisibles, cada uno con una longitud de onda de aproximadamente una micra, para un total de 100 megavatios: la energía eléctrica necesaria equivalen a lo consumido por 80.000 residencias familiares. La carga útil que orbita en una órbita terrestre media elíptica, tendría un reflector que dirige el rayo láser proveniente de la Tierra hacia una cámara de calentamiento que contiene un plasma de hidrógeno. Luego, con su núcleo calentado hasta 40 000 grados Kelvin (72 000 grados Fahrenheit), el gas de hidrógeno que fluye alrededor del núcleo alcanzaría los 10 000 K (18 000 grados Fahrenheit) y sería expulsado por una boquilla, creando un impulsando la nave lejos de la Tierra a lo largo de un intervalo de 58 minutos. (Los propulsores laterales mantendrían la nave alineada con el haz del láser a medida que la Tierra gira).
Ilustración del proyecto de nave impulsada por láser.
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Cuando el haz se detiene, la carga útil se aleja a una velocidad de casi 17 kilómetros por segundo en relación con la Tierra, lo suficientemente rápido como para superar la distancia orbital de la luna en solo ocho horas. Cuando llegue a la atmósfera marciana dentro de un mes y medio, seguirá viajando a 16 km/s; sin embargo, una vez allí, colocar la carga útil en una órbita de 150 km alrededor de Marte es un problema difícil de resolver para el equipo de ingeniería.
Es difícil porque la carga útil no puede llevar un propulsor químico para disparar un cohete y reducir su velocidad: el combustible necesario reduciría la masa de la carga útil a menos del 6 por ciento de los 1000 kilogramos originales. Y hasta que los humanos en el planeta rojo puedan construir una matriz láser equivalente para que la nave entrante use su reflector y cámara de plasma para proporcionar empuje inverso, la aerocaptura es la única forma de desacelerar la carga útil en Marte.
Incluso entonces, la aerocaptura, o aerofrenado, en la atmósfera de Marte podría ser una maniobra arriesgada, ya que la nave espacial experimentaría desaceleraciones de hasta 8 g (donde g es la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra, 9,8 m/s2), aproximadamente el límite humano, por solo unos minutos, ya que se captura en un solo paso alrededor de Marte. Los grandes flujos de calor en la nave debido a la fricción atmosférica estarían por encima de los materiales tradicionales del sistema de protección térmica, pero no de los que están en desarrollo activo.
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La propulsión térmica por láser de naves espaciales hacia el espacio profundo (Marte y más) contrasta con otros métodos de transporte propuestos anteriormente, como la propulsión eléctrica por láser, en la que un rayo láser incidiría en las células fotovoltaicas (PV) detrás de la carga útil; propulsión solar-eléctrica, en la que la luz solar sobre las células fotovoltaicas crea el empuje de propulsión; propulsión nuclear-eléctrica, en la que un reactor nuclear crea electricidad que produce iones impulsados por un propulsor; y la propulsión nuclear-térmica, en la que el calor de un reactor nuclear convierte el líquido en un gas que se expulsa por una tobera para generar empuje.
“La propulsión láser-térmica permite misiones de transporte rápido de 1 tonelada con conjuntos de láser del tamaño de una cancha de voleibol, algo que la propulsión láser-eléctrica solo puede hacer con conjuntos de clase de kilómetro”, dice Emmanuel Duplay, autor principal del estudio, que trabajó en el proyecto durante dos años mientras formaba parte del programa de investigación de ingeniería de pregrado de verano de la Universidad McGill. Duplay ahora está en el Programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Tecnológica de Delft con una especialización en Vuelos Espaciales.
Una gran ventaja del concepto de misión de propulsión térmica por láser presentado por Duplay, es su relación masa-potencia extremadamente baja, en el rango de 0,001 a 0,010 kg/kW, “inigualable”, escriben, “muy por debajo incluso de las citadas para tecnologías avanzadas de propulsión nuclear, debido al hecho de que la fuente de energía permanece encendida”. La tierra y el flujo entregado pueden ser procesados por un reflector inflable de baja masa”.
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La propulsión térmica por láser se estudió por primera vez en la década de 1970 utilizando láseres de CO 2 de 10,6 micras , los más potentes en ese momento. Los láseres de fibra óptica de hoy en día, de una micra, que se pueden combinar en matrices en fase masivamente paralelas con un gran diámetro efectivo, significan una distancia focal de entrega de energía de más de dos órdenes de magnitud más alta: 50,000 km en el láser de Duplay. concepto de propulsión térmica.
Duplay explica que un grupo dirigido por el físico Philip Lubin de la Universidad de California en Santa Bárbara está desarrollando una arquitectura para láseres de matriz en fase . La matriz del grupo de Lubin utiliza amplificadores láser individuales de aproximadamente 100 vatios cada uno; cada amplificador es un bucle simple de fibra óptica y una luz LED como bomba, y se puede producir en masa de forma económica, por lo que la misión a Marte prevista aquí requeriría del orden de 1 millón amplificadores individuales.
Es probable que los primeros humanos en Marte no lleguen utilizando tecnología de propulsión térmica por láser. “Sin embargo, a medida que más humanos hagan el viaje para mantener una colonia a largo plazo, necesitaremos sistemas de propulsión que nos lleven allí más rápido, aunque solo sea para evitar los riesgos de radiación”, dice Duplay. Una misión láser térmica a Marte podría lanzarse 10 años después de las primeras misiones humanas, especula, así que tal vez alrededor de 2040.
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