ESTE NUEVO SISTEMA DE PROPULSIÓN DEL ESPACIO PROFUNDO SE MUEVE COMO UNA HOJA EN EL VIENTO SOLAR

ESTE NUEVO SISTEMA DE PROPULSIÓN DEL ESPACIO PROFUNDO SE MUEVE COMO UNA HOJA EN EL VIENTO SOLAR

La propulsión por imán de plasma puede revolucionar los viajes interplanetarios, solo necesitamos montar el viento.

En los últimos años, una opción sorprendentemente simple pero tecnológicamente viable propuesta por primera vez hace casi veinte años ha ido ganando impulso de manera constante y, según las pruebas y cálculos ya realizados por sus últimos proponentes, puede convertirse en el sistema de propulsión revolucionario que abre la mayor parte del Sistema Solar a la exploración humana regular y asequible. Conocido como un imán de plasma, la iteración actual que está ganando impulso se llama simplemente Wind Rider .

ANTES DE APRENDER A MONTAR EL VIENTO SOLAR

Pocos o ningún logro individual en la historia de la humanidad son tan impresionantes o revolucionarios como el cohete químico. Ninguna otra forma de propulsión ha lanzado jamás un satélite al espacio, mucho menos un ser humano, y prácticamente todas las misiones encargadas de estudiar los diversos planetas, lunas y otras características de nuestro sistema solar han sido impulsadas a sus destinos a bordo de cohetes químicos.

Incluso el puñado de vuelos de prueba experimentales de conceptos de vanguardia como motores de iones y velas solares realizados por la NASA han enganchado su viaje inicial al espacio en cohetes químicos. Como era de esperar, se espera que este método de propulsión domine las misiones de la NASA y el sector privado por igual, así como prácticamente todas las naciones de la Tierra que tienen un programa de lanzamiento espacial para el futuro previsible.

Desafortunadamente, a pesar de toda la potencia bruta que estos gigantes ardientes pueden desatar cuando lanzan un satélite u otra carga útil espacial a la órbita terrestre baja y más allá, la necesidad de transportar suficiente combustible ha limitado severamente su alcance.

Claro, los cohetes han alcanzado la Luna y Marte, y probablemente llevarán humanos a ambos en la próxima década más o menos, pero las misiones tripuladas por humanos a objetivos tentadores como las lunas de Júpiter o Saturno son virtualmente imposibles con esta tecnología. Incluso las exploraciones robóticas de estos destinos lejanos tardan años en completarse, y cuestan millones y millones de dólares cada año a lo largo del camino. Como resultado, estas misiones “insignia” son pocas y distantes entre sí, con esfuerzos como la sonda Cassini , que estudió a Saturno y algunas de sus lunas de cerca, lo que lleva años planificar, preparar y ejecutar.

Esta limitación a la tecnología de los cohetes se conoce desde la época del famoso pionero de los cohetes del siglo XX y ex científico nazi Werner von Braun, con una relación peso-carga insostenible que se avecina en el horizonte como una enorme barrera que parecía imposible de romper.

Ahora, ha comenzado a surgir una nueva ola de enfoques pioneros para los viajes espaciales, que ofrecen a la humanidad la esperanza de que las misiones a la luna de Júpiter, Ganímedes, un objetivo tentador para buscar vida, la luna de Saturno, Titán, que ofrece algunas de las mismas posibilidades tentadoras, o incluso el exterior. Los bordes del propio Sistema Solar podrían algún día volverse tan rutinarios y tan económicos como lo es hoy el lanzamiento de un satélite comercial.

Algunas, como las unidades WARP , parecen estar a décadas, si no siglos, de distancia, mientras que cosas como la propulsión por fusión nuclear o la propulsión de energía dirigida aún requieren más investigación y desarrollo para convertirse en opciones prácticas.

Las velas solares están más cerca de la realidad, ya que han sido estudiadas e incluso probadas en el espacio, pero las limitaciones de tamaño y materiales han limitado esos proyectos a una sola misión potencial de la NASA en el horizonte.

WIND RIDER ES DIFERENTE
«El Plasma Magnet es un dispositivo de arrastre de viento inventado hace casi veinte años por el Dr. John Slough de la Universidad de Washington», dijo el Dr. Brent Freeze, un ingeniero mecánico educado en Cornell y uno de los dos científicos que defienden a Wind Rider en una entrevista. con The Debrief . «Wind Rider es nuestra versión actualizada».

En esa misma entrevista, Freeze explicó los conceptos básicos del diseño de Wind Rider y la ciencia básica detrás de este revolucionario método de propulsión.

«Por definición, es un dispositivo de arrastre, lo que significa que no es una función de cohete», dijo Freeze. Esto, explicó, significa que, a diferencia de un cohete que usa un propulsor para generar impulso, un imán de plasma como su Wind Rider usa la presión del viento solar para generar impulso.

“Puedes viajar con las corrientes de viento y llegar al destino de manera eficiente”, dijo Freeze. «Y no requiere combustible».

El ingeniero entusiasta explicó que este tipo de propulsión existe realmente en la naturaleza, señalando un diente de león que se desliza por el viento hacia su destino final. Montar el viento solar, explicó Freeze, es lo que distingue a este tipo de tecnología de cosas como las velas solares, que dependen de la mínima presión de los fotones y no del viento solar significativamente más potente en sí.

“El sol produce dos formas de energía que son propulsivamente útiles”, explicó Jeff Greason, un veterano del sector de tecnología y aeroespacial con formación del Instituto Técnico de California y socio de Freeze en el concepto Wind Rider. “Apaga la luz del sol, el flujo de fotones que todos vemos. Y apaga el viento solar, que es una corriente de partículas cargadas que se mueven rápidamente ”.

Esta corriente de alta energía, dice Greason, puede variar en velocidades desde 450 kilómetros por segundo hasta 800 kilómetros por segundo, dependiendo del ángulo. Y, dice, Wind Rider está diseñado para capturar el impulso de esa corriente de partículas sobrealimentadas y llevar su impulso a los bordes del propio sistema solar.

«El [viento solar] posee enormes cantidades de energía cinética concentrada a la que luego puedes agarrar», dijo Freeze a The Debrief , «y tenemos un sistema de estructura Wind Rider que puede hacer eso».

jinete del viento

Una representación de Wind Rider, el dispositivo de arrastre de viento solar por el miembro del estudio PIP Michel Lamontagne. (Nota: la imagen no está a escala).

¿CÓMO FUNCIONA WIND RIDER?
«La propulsión de vela de plasma basada en el imán de plasma es un sistema único que aprovecha la energía ambiental del viento solar con requisitos mínimos de energía y masa», afirma el resumen del artículo de investigación original de 2005 . «De esta manera, la masa de la vela se reduce en órdenes de magnitud para la misma potencia de empuje».

Para lograr esta hazaña de la ingeniería, la unidad en sí consiste en un par de bobinas polifásicas montadas en o cerca del centro de una nave cilíndrica que una vez energizada produce un campo magnético giratorio. En el diseño original, estas bobinas magnéticas se propusieron como aluminio, pero, señaló Freeze, en 2021, se reemplazó con materiales superconductores que no estaban disponibles para Slough en 2005.

Cuando se activa correctamente, este campo magnético alimenta las corrientes que generan una enorme capa de plasma para rodear la nave espacial, alcanzando potencialmente decenas de kilómetros de tamaño. Esta capa de plasma impulsado magnéticamente se expande hacia afuera en forma de disco hasta que su tamaño es igualado por la presión del viento solar y luego usa el principio de arrastre para navegar esencialmente por el viento solar como el diente de león en su brisa de verano.

«En cierto sentido, todas las velas son lo que yo llamo dispositivos de arrastre», dijo Greason a The Debrief . «Son como un paracaídas o un velero de aparejo cuadrado, lo que significa que solo vuelan antes del viento».

“Prácticamente no tiene propulsor, ya que el viento solar interceptado repone la pequeña cantidad de plasma necesaria para transportar las corrientes magnéticas”, concluye el resumen del artículo original. «A diferencia de un imán sólido o una vela, el imán de plasma se expande con la caída de la presión del viento solar para proporcionar un empuje constante».

Básicamente, a medida que la nave se aleja cada vez más del Sol y la presión del viento solar continúa reduciéndose, el tamaño de la capa de plasma que rodea la nave espacial se expande para compensar, ofreciendo al vehículo un empuje constante.

«Hay una presión magnética en ese bucle de corriente que hace que quiera expandirse», explicó Greason. “Y hay una presión del viento y una presión dinámica que le dan ganas de contraerse. Crece hasta que esas fuerzas están en equilibrio «.

Señaló que este diseño original incluso fue probado en 2006 por Slough, aunque en la Tierra y en condiciones de laboratorio. Aún así, esos resultados confirmaron el método y el análisis de empuje de la teoría original.

«No hemos replicado las pruebas que las personas anteriores han hecho en el laboratorio, pero se basan en resultados publicados en la literatura», dijo Greason a The Debrief. “Se han realizado pruebas de subescala en el suelo en túneles de viento de plasma, y más o menos coincide con las predicciones hechas por la teoría. Midieron lo que habían empujado «.

¿QUÉ TAN RÁPIDO ES WIND RIDER?
Cuando la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzaron la sonda Cassini para estudiar Saturno y sus lunas en 1997, incluso la famosa administración espacial notó la dificultad de alcanzar un objetivo tan distante.

«No se pudo lanzar directamente a Saturno con los sistemas de propulsión disponibles en ese momento» , explica el sitio de archivo de la misión de la NASA , «Cassini tomó una ruta indirecta para llegar al planeta anillado». Esta ruta se conoce como trayectoria VVEJGA (Venus-Venus-Earth-Júpiter Gravity Assist), y según el mismo sitio de archivo de la misión de la NASA, “Cassini hizo dos sobrevuelos de Venus (abril de 1998 y junio de 1999), uno de la Tierra ( Agosto de 1999), y uno de Júpiter (diciembre de 2000) ”, antes de tomar el impulso suficiente para partir hacia su objetivo final, Saturno.

Pasarían otros cuatro años antes de que Cassini finalmente alcanzara el planeta anillado, y su compañera, la sonda Huygens , no se dejó caer hacia la luna de Saturno, Titán, hasta 2005, casi ocho años después de su lanzamiento.

«Las misiones al sistema solar exterior tienden a ser misiones emblemáticas, misiones de más de mil millones de dólares que no se hacen con mucha frecuencia», dijo Greason a The Debrief . “Y eso se debe al tiempo y al costo. Usted defiende a este gran equipo para diseñar la misión, y luego no tienen que ser despedidos. Todavía tienen que estar allí cuando llegue la misión. Así que misiones como esa toman mucho tiempo y cuestan mucho dinero. Al reducir drásticamente el tiempo de tránsito, aumenta drásticamente las probabilidades de que el mismo equipo esté en el proyecto cuando la investigación esté lista para realizarse en el sitio «.

Entonces, si una sonda como Cassini necesitara cerca de una década para llegar a Saturno, ¿cuánto tiempo necesitaría Wind Rider para navegar por el viento solar hasta el planeta anillado?

«Seis semanas»,

De hecho, dijo, su equipo ha calculado una serie completa de objetivos potenciales dentro del sistema solar y ha descubierto que prácticamente cada uno de ellos es alcanzable en un año o menos.

¿Quieres ir a Júpiter? Wind Rider puede hacer que corras junto al gigante gaseoso en unas miserables tres o cuatro semanas. ¿Te apetece un viaje a Neptuno, el planeta más alejado del Sol (lo siento Plutón)? Wind Rider puede hacerlo en unas 18 semanas.

«Es posible llegar a casi todos los destinos dentro del sistema solar en un año», dijo Freeze, «con al menos una ventana de lanzamiento abierta por año para cada uno de ellos».

Cuando se les preguntó sobre la posibilidad de usar Wind Rider para aventurarse a exoplanetas que están a años luz de distancia, ambos miembros del equipo señalaron las distancias dramáticas y cientos, si no miles de años, su vehículo necesitaría atravesar esas distancias. Sin embargo, ambos aún notaron que su nave espacial propuesta es significativamente más rápida para futuras misiones robóticas interestelares que el único vehículo hecho por el hombre que realmente abandonó nuestro sistema solar.

«Debido a que se limita a la energía solar, tienes que hacer toda tu aceleración en el sistema solar interior», explicó Greason. «Así que eso nos limita a entre comillas, solo unos 300 kilómetros por segundo de velocidad de salida, que sigue siendo algo así como cinco veces más rápida que la Voyager «.

¿QUÉ ES JOVE?
El 6 de octubre de 2021, Freeze y Greason se asociaron con otros diez científicos e ingenieros para delinear una misión de demostración de tecnología a Júpiter a la que llaman JOVE.

“El título de nuestra charla es ‘Experimento de velocidad de observación de Júpiter (JOVE), Introducción al demostrador de propulsión eléctrica solar Wind Rider y Objetivos científicos’”, explicó Freeze en un correo electrónico a The Debrief .

Presentada en la conferencia 53a División de Ciencias Planetarias , que es una conferencia afiliada administrada por la Sociedad Astronómica Estadounidense , la misión JOVE es un demostrador de tecnología que también serviría como la primera prueba en el mundo real de una nave propulsada por imán de plasma en el espacio. como demostración de una gama de tecnologías colaborativas diseñadas para ayudar en la misión.

Por ejemplo, aunque Wind Rider puede viajar extremadamente rápido, la falta de combustible a bordo no ofrece ninguna forma de que la nave reduzca la velocidad, y mucho menos maniobra una vez que ha alcanzado su destino objetivo. La misión JOVE busca resolver ese desafío combinando una fuente de energía nuclear con el imán de plasma, ofreciendo sistemas de propulsión separados para viajes locales y de larga distancia.

«Es como en Star Trek con el impulso WARP e Impulse», dijo Freeze, «solo el Wind Rider es el WARP, y el nuclear te da la capacidad local, el impulso impulsivo».

En JOVE, ese «impulso» metafórico es en realidad un concepto de fusión nuclear pulsada en desarrollo por investigadores de la Universidad de Huntsville, Alabama, que se tratará en un próximo artículo sobre The Debrief . Independientemente del sistema específico utilizado una vez que la nave está en su destino (Greason señaló que incluso hay algunos sistemas de energía nucleares propuestos que usan el mismo isótopo fácilmente disponible que se encuentra en un detector de humo común), combinando ese sistema de transmisión secundario con el Wind Rider El sistema de imán de plasma ofrece una amplia gama de objetivos sin explotar para que los investigadores los exploren.

«La combinación de esos dos (imán de plasma y nuclear) sería realmente interesante», dijo Greason a The Debrief . “Ahora puedes empezar a pensar en hacer, ya sabes, misiones de 100, 200 millones de dólares al sistema solar exterior. Y hay tantos lugares a donde ir. No hemos estado en ninguna de las lunas de Urano y Titán, a excepción del sobrevuelo de la Voyager una vez. Nunca hemos estado en ninguno de los objetos transneptunianos que no sean Plutón. Hay todo tipo de lunas increíblemente interesantes, incluso de Júpiter y Saturno, a las que nos encantaría hacer una misión dedicada a la que simplemente no hemos hecho «.

¿CUÁNDO VOLARÁ WIND RIDER?
Actualmente no hay misiones planeadas oficialmente para probar Wind Rider o cualquier otro sistema de propulsión estilo imán de plasma en los libros de la NASA. Aún así, cuando The Debrief preguntó con qué rapidez se podría implementar un sistema de este tipo con la financiación adecuada, ambos miembros del equipo de Wind Rider dieron estimaciones similares.

«Creo que si estuviera totalmente financiado en los próximos 90 días, con la aprobación de la NASA y toda la aprobación regulatoria, podría lanzarse a fines de 2023», dijo Freeze.

«Dos o tres años», repitió Greason. «Quizás un poco más».

Por supuesto, para incluso ser considerado para financiamiento en los próximos diez años, el equipo señaló que un proyecto como Wind Rider tendría que aparecer en el Decadal Survey de la NASA , un documento que esencialmente guía las misiones de la administración durante los siguientes diez años, y cuya próxima iteración no se espera que se lance hasta finales de este año.

«La forma en que realmente funciona es que tienes varios cuerpos del sistema solar exterior que la gente piensa que podrían ser buenos candidatos para la vida», dijo Greason a The Debrief . «Y luego se convierte en una pelea para que su misión sea considerada».

Afortunadamente, después de presentar su concepto en la conferencia anual de AIAA en agosto y la presentación de JOVE en octubre, parece que el concepto de Wind Rider está ganando aún más impulso, con otra presentación planeada en la reunión de otoño de 2021 de American Geophysical Unions (AGU) . que, según los investigadores, es incluso más agresivo que JOVE .

«Hay una presentación de seguimiento para un destino diferente (mucho más lejos que Júpiter) que también implica el uso de un Wind Rider», afirmó Freeze. «Fue aceptado la semana pasada para una sesión de carteles en la reunión de otoño de la AGU en Nueva Orleans el lunes 13 de diciembre».

De acuerdo con su resumen escrito , esa misión propone enviar un Wind Rider a la asombrosa distancia de 542 AU (una AU, o Unidad Astronómica, es la distancia entre la Tierra y el Sol, o apenas 150 millones de kilómetros), un punto en el que Freeze le dijo a The Debrief , «puedes usar el Sol como una lente de aumento para tomar imágenes de las cosas». Su objetivo particular en la presentación de la próxima conferencia es el sistema estelar Trappist-1, que es de particular interés para los astrónomos y astrobiólogos por sus planetas similares a la Tierra que pueden tener un alto potencial para albergar vida extraterrestre .

En cuanto a qué, si se pueden realizar más experimentos antes de poner un vehículo de prueba real como Wind Rider en el espacio, tanto Freeze como Greason indicaron que los conceptos comprobables se han hecho todos más o menos y han demostrado ser exitosos, y para cualquier progreso adicional para Se necesitará la voluntad y la financiación para poner un vehículo de este tipo en el espacio y ver si funciona.

«El siguiente paso es volar», dijo Freeze a The Debrief . «Hay un número limitado de pruebas que puedes hacer en el terreno».

Cuando se le preguntó si existe alguna barrera tecnológica o si se tendrá que crear algún material personalizado para realizar un vuelo tan real, el equipo de Wind Rider dijo que no.

«Todo está disponible comercialmente», dijo Freeze. “Hemos sido muy cuidadosos para asegurarnos de que todos los recubrimientos, todos los materiales que están disponibles, todos los sistemas realmente se hayan demostrado sobre el terreno durante años”.

“Lo que necesitamos ahora es financiamiento”, agregó Greason. «Exactamente cuánto le cederé a Brent, pero son decenas de millones, si no cientos de millones de dólares».

Independientemente del costo, ambos investigadores están convencidos de la viabilidad actual de su solución y confían en que, si tiene éxito, representaría la nave espacial más rápida que existe.

«No hay ningún cohete que yo sepa, químico, eléctrico o de otro tipo, que pueda seguir el ritmo de un Wind Rider», dijo Freeze.

Greason se hizo eco de las ventajas del sistema y le dijo a The Debrief que “esta tecnología, o este conjunto de tecnologías, tiene el potencial de romper ese paradigma y decir: ‘Está bien, bueno, si puedes hacer una misión de $ 200 millones, podríamos volar una cada año . Y en 10 años, podríamos haber cumplido una misión con cada uno de estos objetivos interesantes ‘”.

El tiempo dirá si el sistema Wind Rider o uno similar llegará a la próxima Encuesta Decadal, pero dado el entusiasmo y la reputación de los investigadores involucrados, sin mencionar los impresionantes equipos que se unen a los esfuerzos en los conceptos de la misión JOVE y Trappist-1, la viabilidad general de la tecnología en sí hace que parezca que finalmente puede ser el momento de poner una de las ventosas en el espacio y verla navegar como una hoja en el viento .

.