Propulsão movida a feixe - Beam-powered propulsion

A propulsão movida a feixe , também conhecida como propulsão por energia direcionada, é uma classe de propulsão de aeronave ou nave espacial que usa a energia enviada para a nave espacial a partir de uma usina remota para fornecer energia. O feixe é normalmente um microondas ou um feixe de laser e é pulsado ou contínuo. Um feixe contínuo se presta a foguetes térmicos , propulsores fotônicos e velas leves , enquanto um feixe pulsado se presta a propulsores ablativos e motores de detonação de pulso .

A regra geral geralmente citada é que é necessário um megawatt de potência transmitido a um veículo por kg de carga útil enquanto ele está sendo acelerado para permitir que alcance uma órbita terrestre baixa.

Além do lançamento em órbita, também foram propostas aplicações para se mover rapidamente ao redor do mundo.

Fundo

Foguetes são máquinas de impulso ; eles usam a massa ejetada do foguete para fornecer impulso ao foguete. Momentum é o produto da massa e da velocidade, então os foguetes geralmente tentam colocar o máximo de velocidade possível em sua massa de trabalho , minimizando assim a quantidade de massa de trabalho necessária. Para acelerar a massa de trabalho, é necessária energia . Em um foguete convencional, o combustível é quimicamente combinado para fornecer a energia, e os produtos de combustível resultantes, as cinzas ou gases de escape, são usados como massa de trabalho.

Não há nenhuma razão particular para que o mesmo combustível seja usado tanto para energia quanto para momentum. No motor a jato , por exemplo, o combustível é usado apenas para produzir energia, a massa de trabalho é fornecida pelo ar por onde o avião a jato voa. Nos motores a jato modernos, a quantidade de ar propelida é muito maior do que a quantidade de ar usada para energia. Esta não é uma solução para o foguete, no entanto, já que eles sobem rapidamente a altitudes onde o ar é muito rarefeito para ser útil como fonte de massa de trabalho.

Foguetes podem, entretanto, carregar sua massa de trabalho e usar alguma outra fonte de energia. O problema é encontrar uma fonte de energia com uma relação peso / potência que concorra com os combustíveis químicos. Pequenos reatores nucleares podem competir neste aspecto, e um trabalho considerável sobre a propulsão térmica nuclear foi realizado na década de 1960, mas as preocupações ambientais e os custos crescentes levaram ao fim da maioria desses programas.

Uma outra melhoria pode ser feita removendo a geração de energia da espaçonave. Se o reator nuclear for deixado no solo e sua energia for transmitida para a espaçonave, o peso do reator também é removido. A questão então é fazer com que a energia entre na espaçonave. Esta é a ideia por trás da energia transmitida.

Com a propulsão por feixe, pode-se deixar a fonte de energia estacionária no solo e diretamente (ou por meio de um trocador de calor ) o propelente de calor na espaçonave com um maser ou um feixe de laser de uma instalação fixa. Isso permite que a espaçonave deixe sua fonte de energia em casa, economizando uma quantidade significativa de massa, melhorando muito o desempenho.

Propulsão a laser

Como um laser pode aquecer o propelente a temperaturas extremamente altas, isso aumenta muito a eficiência de um foguete, pois a velocidade de exaustão é proporcional à raiz quadrada da temperatura. Foguetes químicos normais têm uma velocidade de exaustão limitada pela quantidade fixa de energia nos propelentes, mas os sistemas de propulsão com feixes não têm nenhum limite teórico particular (embora na prática haja limites de temperatura).

Propulsão de microondas

Na propulsão térmica de micro-ondas, um feixe de micro-ondas externo é usado para aquecer um trocador de calor refratário a> 1.500 K, por sua vez aquecendo um propelente como hidrogênio, metano ou amônia. Isso melhora o impulso específico e a relação empuxo / peso do sistema de propulsão em relação à propulsão de foguete convencional. Por exemplo, o hidrogênio pode fornecer um impulso específico de 700–900 segundos e uma razão empuxo / peso de 50-150.

Uma variação, desenvolvida pelos irmãos James Benford e Gregory Benford , é usar a dessorção térmica do propelente preso no material de uma vela de micro-ondas muito grande . Isso produz uma aceleração muito alta em comparação com velas empurradas por micro-ondas sozinhas.

Propulsão elétrica

Alguns mecanismos de propulsão de espaçonaves propostos usam propulsão de espaçonaves movidas a eletricidade , na qual a energia elétrica é usada por um motor de foguete movido a eletricidade, como um propulsor de íons ou motor de propulsão de plasma . Normalmente, esses esquemas assumem painéis solares ou um reator de bordo. No entanto, ambas as fontes de energia são pesadas.

A propulsão por feixe na forma de laser pode ser usada para enviar energia a um painel fotovoltaico , para propulsão elétrica a laser. Neste sistema, se houver incidência de alta intensidade no painel solar, é necessário um projeto cuidadoso dos painéis para evitar uma queda na eficiência de conversão devido aos efeitos do aquecimento. John Brophy analisou a transmissão de energia do laser para uma matriz fotovoltaica alimentando um sistema de propulsão elétrica de alta eficiência como um meio de realizar missões de alto delta-V , como uma missão precursora interestelar em um projeto da NASA Innovative Advanced Concepts .

Um feixe de micro-ondas pode ser usado para enviar energia a uma retina , para propulsão elétrica de micro-ondas . A potência de transmissão de micro-ondas foi praticamente demonstrada várias vezes (por exemplo, Goldstone, Califórnia em 1974), as retenas são potencialmente leves e podem lidar com alta potência com alta eficiência de conversão. No entanto, as retenas tendem a precisar ser muito grandes para que uma quantidade significativa de energia seja capturada.

Impulso direto

Uma viga também pode ser usada para fornecer impulso, "empurrando" diretamente a vela.

Um exemplo disso seria usar uma vela solar para refletir um feixe de laser. Este conceito, chamado de vela de luz empurrada a laser, foi inicialmente proposto por Marx, mas primeiro analisado em detalhes e elaborado pelo físico Robert L. Forward em 1989 como um método de viagem interestelar que evitaria proporções de massa extremamente altas por não transportar combustível . Uma análise mais aprofundada do conceito foi feita por Landis , Mallove e Matloff, Andrews Lubin e outros.

Em um artigo posterior, Forward propôs empurrar uma vela com um feixe de microondas. Isso tem a vantagem de que a vela não precisa ser uma superfície contínua. Forward etiquetou sua proposta para uma vela ultraleve " Starwisp ". Uma análise posterior de Landis sugeriu que o conceito Starwisp originalmente proposto por Forward não funcionaria, mas variações na proposta podem ser implementadas.

O feixe deve ter um diâmetro grande para que apenas uma pequena parte dele perca a vela devido à difração e a antena de laser ou micro-ondas deve ter uma boa estabilidade de apontamento para que a nave possa inclinar suas velas rápido o suficiente para seguir o centro do feixe. Isso se torna mais importante ao passar de uma viagem interplanetária para uma viagem interestelar , e ao passar de uma missão de voo, para uma missão de pouso, para uma missão de retorno. O laser ou o emissor de micro-ondas provavelmente seria uma grande matriz em fases de pequenos dispositivos, que obtêm sua energia diretamente da radiação solar. O tamanho da matriz elimina a necessidade de uma lente ou espelho.

Outro conceito de feixe empurrado seria usar uma vela magnética ou vela MMPP para desviar um feixe de partículas carregadas de um acelerador de partículas ou jato de plasma . Landis propôs um feixe de partículas empurrado em 1989 e analisado com mais detalhes em um artigo de 2004. Jordin Kare propôs uma variante para isso, por meio da qual um "feixe" de pequenas velas de luz acelerada por laser transfere o impulso para um veículo magsail.

Outro conceito impulsionado por feixe usa pelotas ou projéteis de matéria comum. Um fluxo de pelotas de um driver de massa estacionário é "refletido" pela espaçonave, cf. driver de massa . A espaçonave não precisa de energia nem massa de reação para sua própria propulsão.

Sistemas propostos

Lightcraft

Uma nave de luz é um veículo atualmente em desenvolvimento que usa uma fonte externa pulsada de laser ou energia maser para fornecer energia para a produção de empuxo.

O laser incide sobre um refletor parabólico na parte inferior do veículo que concentra a luz para produzir uma região de temperatura extremamente alta. O ar nessa região é aquecido e se expande violentamente, produzindo impulso a cada pulso de luz laser. No espaço, uma nave leve precisaria fornecer esse gás a partir de tanques de bordo ou de um sólido ablativo. Ao deixar a fonte de energia do veículo no solo e usar a atmosfera ambiente como massa de reação durante grande parte de sua subida, uma nave de luz seria capaz de colocar em órbita uma porcentagem muito grande de sua massa de lançamento. Também pode ser muito barato de fabricar.

Testando

No início da manhã de 2 de outubro de 2000 na Instalação de Teste de Sistemas Laser de Alta Energia (HELSTF), Lightcraft Technologies, Inc. (LTI) com a ajuda de Franklin B. Mead do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA e Leik Myrabo estabeleceu um novo mundo recorde de altitude de 233 pés (71 m) para seu foguete impulsionado por laser de 4,8 polegadas (12,2 cm) de diâmetro e 1,8 onças (51 g) em um vôo de 12,7 segundos. Embora grande parte do voo das 8h35 tenha sido gasto pairando a mais de 70 metros, o Lightcraft conquistou um recorde mundial para o mais longo vôo livre a laser e o maior "tempo no ar" (ou seja, lançamento para pouso / recuperação) de um objeto movido a luz. Isso é comparável ao primeiro vôo de teste de Robert Goddard com seu projeto de foguete. Aumentar a potência do laser para 100 quilowatts permitirá voos de até 30 quilômetros de altitude. Seu objetivo é acelerar um microssatélite de um quilograma até a órbita baixa da Terra usando um laser terrestre de um megawatt feito sob medida. Tal sistema usaria cerca de 20 dólares em eletricidade, colocando os custos de lançamento por quilograma em muito menos do que os custos de lançamento atuais (que são medidos em milhares de dólares).

O design de " nave de luz " de Myrabo é uma nave reflexiva em forma de funil que canaliza o calor do laser em direção ao centro, usando uma superfície parabólica reflexiva, fazendo com que o laser literalmente exploda o ar abaixo dele, gerando sustentação. As superfícies reflexivas na nave focalizam o feixe em um anel, onde aquece o ar a uma temperatura quase cinco vezes mais quente do que a superfície do sol, fazendo com que o ar se expanda explosivamente para o impulso.

Foguete térmico a laser

Um foguete térmico a laser é um foguete térmico no qual o propelente é aquecido por energia fornecida por um feixe de laser externo. Em 1992, o falecido Jordin Kare propôs um conceito mais simples, de prazo mais próximo, que tinha um foguete contendo hidrogênio líquido. O propelente é aquecido em um trocador de calor no qual o feixe de laser ilumina antes de sair do veículo por meio de um bico convencional. Este conceito pode usar lasers de feixe contínuo, e os lasers semicondutores agora são econômicos para esta aplicação.

Foguete térmico de micro-ondas

Em 2002, Kevin LG Parkin propôs um sistema semelhante usando microondas. Em maio de 2012, o Projeto de Sistema de Lançamento Térmico de Ondas Milimétricas (MTLS) da DARPA / NASA deu os primeiros passos para implementar essa ideia. O Projeto MTLS foi o primeiro a demonstrar um trocador de calor refratário absorvente de ondas milimétricas, posteriormente integrando-o ao sistema de propulsão de um pequeno foguete para produzir o primeiro foguete térmico de ondas milimétricas. Simultaneamente, desenvolveu o primeiro diretor de feixe de ondas milimétricas de alvo cooperativo de alta potência e o usou para tentar o lançamento do primeiro foguete térmico de ondas milimétricas. Vários lançamentos foram tentados, mas os problemas com o diretor de viga não puderam ser resolvidos antes do término do financiamento em março de 2014.

Economia

A motivação para desenvolver sistemas de propulsão movidos a feixe vem das vantagens econômicas que seriam obtidas como resultado do desempenho de propulsão aprimorado. No caso de veículos de lançamento movidos a vigas, um melhor desempenho de propulsão permite alguma combinação de fração de carga útil aumentada, margens estruturais aumentadas e menos estágios. O estudo de 1977 da JASON sobre a propulsão a laser, de autoria de Freeman Dyson , articula sucintamente a promessa de lançamento movido a feixe de luz:

"A propulsão a laser é uma ideia que pode produzir uma revolução na tecnologia espacial. Uma única instalação de laser no solo pode, em teoria, lançar veículos de estágio único em órbita terrestre baixa ou alta. A carga útil pode ser de 20% ou 30% da carga do veículo - sem peso. É muito mais econômico no uso de massa e energia do que a propulsão química, e é muito mais flexível para colocar veículos idênticos em uma variedade de órbitas. "

Esta promessa foi quantificada em um estudo Lockheed de 1978 conduzido para a NASA:

"Os resultados do estudo mostraram que, com tecnologia avançada, o sistema de foguete a laser com transmissor a laser espacial ou terrestre poderia reduzir o orçamento nacional alocado ao transporte espacial em 10 a 345 bilhões de dólares em um ciclo de vida de 10 anos quando em comparação com sistemas avançados de propulsão química (LO ₂ -LH ₂ ) de capacidade igual. "

Custo do diretor de feixe

Os estudos da década de 1970 e outros desde então têm citado o custo do diretor de feixe como um possível impedimento para os sistemas de lançamento movidos a feixe. Uma recente análise de custo-benefício estima que foguetes térmicos de microondas (ou laser) seriam econômicos quando o custo do diretor de feixe cair abaixo de 20 $ / Watt. O custo atual de lasers adequados é <100 $ / Watt e o custo atual de fontes de microondas adequadas é <$ 5 / Watt. A produção em massa reduziu o custo de produção de magnetrons de forno de microondas para <0,01 $ / Watt e alguns lasers médicos para <10 $ / Watt, embora estes sejam considerados inadequados para uso em diretores de feixe.

Aplicações não navais

Em 1964, William C. Brown demonstrou um helicóptero em miniatura equipado com uma combinação de antena e dispositivo retificador chamado retena . A retena converteu a energia das microondas em eletricidade, permitindo que o helicóptero voasse.

Em 2002, um grupo japonês impulsionou um minúsculo avião de alumínio usando um laser para vaporizar uma gota de água aderida a ele, e em 2003 os pesquisadores da NASA pilotaram um aeromodelo de 11 onças (312 g) com uma hélice movida a painéis solares iluminados por um laser . É possível que tal propulsão movida a feixe pudesse ser útil para aeronaves ou balões não tripulados de longa duração de alta altitude, talvez projetados para servir - como os satélites fazem hoje - como relés de comunicação, plataformas científicas ou plataformas de vigilância.

Uma " vassoura laser " foi proposta para varrer detritos espaciais da órbita da Terra. Este é outro uso proposto de propulsão movida a feixe, usada em objetos que não foram projetados para serem impulsionados por ele, por exemplo, pequenos pedaços de sucata lançados ("estilhaçados") de satélites. A técnica funciona já que a potência do laser faz a ablação de um lado do objeto, dando um impulso que altera a excentricidade da órbita do objeto. A órbita então cruzaria a atmosfera e se incendiaria.

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