El futuro de la exploración espacial incluye algunos planes bastante ambiciosos para enviar misiones más lejos de la Tierra que nunca. Más allá 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 nuestro Sol, e incluso a las estrellas más cercanas para explorar exoplanetas. Lograr estos objetivos requiere propulsión de próxima generación que pueda permitir un alto empuje y una aceleración constante.

Los conjuntos enfocados de láseres (o energía dirigida (DE)) y las velas de luz son medios que se están investigando ampliamente, como Breakthrough Starshot y Swarming Proxima Centauri. Más allá 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 reciente, el equipo compartió los primeros resultados de su instalación de propulsión láser-térmica (LTP), lo que sugiere que la tecnología tiene el potencial de proporcionar tanto un alto empuje como un impulso específico para misiones interestelares.

El equipo de investigación estuvo dirigido por Gabriel R. Dube, estudiante de investigación en prácticas del Grupo de Investigación Experimental de Vuelo Interestelar McGill (IFERG), y el profesor asociado Andrew Higgins, investigador principal del IFERG. A ellos se unieron Emmanuel Duplay, investigador graduado de la Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, asistente de investigación de verano del IFERG; y Jason Loiseau, profesor asociado del Royal Military College of Canada.

El equipo presentó sus resultados en el Foro y Exposición de Ciencia y Tecnología AIAA 2024 y en un artículo que apareció en el Foro AIAA SCITECH 2024. .

Higgins y sus colegas propusieron originalmente este concepto en un artículo de 2022 que apareció en Acta Astronautica. titulado "Diseño de una misión de tránsito rápido a Marte utilizando propulsión térmica láser".

Como informó Universe Today en ese momento, el LTP se inspiró en conceptos interestelares como Starshot y Project Dragonfly. Sin embargo, Higgins y sus asociados de McGill estaban interesados ​​en cómo la misma tecnología podría permitir misiones de tránsito rápido a Marte en sólo 45 días y por todo el sistema solar. Argumentaron que este método también podría validar las tecnologías involucradas y actuar como un trampolín hacia las misiones interestelares.

Como Higgins le dijo a Universe Today por correo electrónico, el concepto se les ocurrió durante la pandemia cuando no pudieron ingresar a su laboratorio:

"[M]os estudiantes hicieron un estudio conceptual detallado de cómo podríamos utilizar el tipo de grandes conjuntos de láser previstos para el Breakthrough Starshot para una misión a más corto plazo en el sistema solar. En lugar de 10 km de diámetro, 100- GW previsto para Breakthrough Starshot, nos limitamos a un láser de 100 MW de 10 m de diámetro y demostramos que sería capaz de entregar energía a una nave espacial a casi la distancia de la Luna calentando el propulsor de hidrógeno a 10.000 s. de K, el láser permite el 'santo grial' de un alto empuje y un alto impulso específico."

El concepto es similar a la propulsión térmica nuclear (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 enfoca 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 generar impulsos específicos de 3.000 segundos. Desde que Higgins y sus estudiantes regresaron al laboratorio, dijo, han estado intentando 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 es bastante aterrador) y estamos estudiando cómo el láser acoplaría su energía a un propulsor ( eventualmente hidrógeno, pero por ahora argón solo porque es más fácil de ionizar). El documento de la AIAA informa sobre el diseño, la construcción y la 'sacudida' de nuestra instalación láser de 3 kW".

Higgins y su equipo construyeron un aparato que contenía de 5 a 20 barras de gas argón estático a partir de sus pruebas. Si bien el concepto final utilizará gas hidrógeno como propulsor, utilizaron gas argón para la prueba 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 necesario 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.

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 medir cuánta aceleración (delta-v) e impulso específico (Isp) puede ofrecer un sistema de propulsión térmica láser para futuras misiones a Marte y otros planetas del sistema solar. /P>

Si la tecnología está a la altura de la tarea, podríamos estar analizando un sistema capaz de llevar astronautas a Marte en semanas en lugar de meses. Otros conceptos seleccionados para el NIAC 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.

Más información: Gabriel R. Dubé et al, Plasma sostenido por láser para propulsión en el espacio profundo:resultados iniciales del propulsor LTP, Foro AIAA SCITECH 2024 (2024). DOI:10.2514/6.2024-2029

Proporcionado por Universe Today