Bussard ramjet - Bussard ramjet
O ramjet Bussard é um método teórico de propulsão de nave espacial proposto em 1960 pelo físico Robert W. Bussard , popularizado pelo romance Tau Zero de Poul Anderson , Larry Niven em sua série de livros Espaço Conhecido , Vernor Vinge em sua série Zonas de Pensamento , e referido por Carl Sagan na série de televisão e no livro Cosmos .
Bussard propôs uma variante ramjet de um foguete de fusão capaz de viagem interestelar razoável , usando enormes campos eletromagnéticos (variando de quilômetros a muitos milhares de quilômetros de diâmetro) como uma concha de ram para coletar e comprimir hidrogênio do meio interestelar . Altas velocidades forçam a massa reativa a um campo magnético progressivamente restrito, comprimindo-o até que ocorra a fusão termonuclear . O campo magnético então direciona a energia para o escapamento do foguete , fornecendo impulso.
Viabilidade
Desde o tempo da proposta original de Bussard, foi descoberto que a região ao redor do Sistema Solar tem uma densidade de hidrogênio muito menor do que se acreditava naquela época (veja Nuvem Interestelar Local ). John Ford Fishback deu uma contribuição importante para os detalhes do ramjet Bussard em 1969. TA Heppenheimer analisou a sugestão original de Bussard de fusão de prótons , mas descobriu que as perdas de Bremsstrahlung da compressão de prótons para densidades de fusão eram maiores do que a potência que poderia ser produzida por um fator de cerca de 1 bilhão, indicando assim que a versão proposta do ramjet Bussard era inviável. No entanto, a análise de Daniel P. Whitmire de 1975 indica que um ramjet pode atingir potência líquida através do ciclo CNO , que produz fusão a uma taxa muito mais alta (~ 10 16 vezes maior) do que a cadeia próton-próton .
Robert Zubrin e Dana Andrews analisaram uma versão hipotética do Ramscoop Bussard e projeto ramjet em 1985. Eles determinaram que sua versão do Ramjet seria incapaz de acelerar no vento solar. No entanto, em seus cálculos, eles presumiram que:
- A velocidade de exaustão de seu ramjet de propulsão iônica interplanetária não poderia exceder 100.000 m / s (100 km / s);
- A maior fonte de energia disponível poderia ser um reator de fusão nuclear de 500 quilowatts .
No projeto ramjet interplanetário Zubrin / Andrews, eles calcularam que a força de arrasto d / dt ( mv 1 ) é igual à massa dos íons recolhidos por segundo multiplicada pela velocidade dos íons recolhidos dentro do sistema solar em relação ao ramscoop. A velocidade dos íons coletados (recolhidos) do vento solar foi considerada como sendo 500.000 m / s.
A velocidade de exaustão dos íons quando expelidos pelo ramjet foi assumida como não excedendo 100.000 m / s. O impulso do ramjet d / dt ( mv 2 ) era igual à massa de íons expelidos por segundo multiplicada por 100.000 metros por segundo. No projeto Zubrin / Andrews de 1985, isso resultou na condição de que d / dt ( mv 1 )> d / dt ( mv 2 ). Esta condição resultou na força de arrasto excedendo o empuxo do hipotético ramjet na versão Zubrin / Andrews do projeto.
Invenções relacionadas
Foguete Interestelar Aumentado com Ram (RAIR)
O problema de usar o meio interestelar como única fonte de combustível levou ao estudo do Foguete Interestelar Aumentado por Ram (RAIR). O RAIR carrega seu suprimento de combustível nuclear e esgota os produtos da reação para produzir parte de seu impulso. No entanto, ele melhora muito seu desempenho ao coletar o meio interestelar e usá-lo como massa de reação extra para aumentar o foguete. O sistema de propulsão do RAIR consiste em três subsistemas: um reator de fusão, um campo de coleta e um acelerador de plasma. O campo de coleta canaliza o gás interestelar para um "acelerador" (este poderia ser, por exemplo, um sistema de troca de calor transferindo energia térmica do reator diretamente para o gás interestelar), que é alimentado por um reator. Uma das melhores maneiras de entender esse conceito é considerar que o combustível nuclear de hidrogênio transportado a bordo atua como um combustível (fonte de energia), enquanto o gás interestelar coletado pela colher e então exaurido em grande velocidade pela parte traseira atua como um propelente ( a massa de reação ), o veículo, portanto, tem um suprimento de combustível limitado, mas um suprimento de propulsor ilimitado. Um ramjet Bussard normal teria um suprimento infinito de ambos. No entanto, a teoria sugere que, onde um ramjet Bussard sofreria arrasto por ter que pré-acelerar o gás interestelar para sua própria velocidade antes da ingestão, um sistema RAIR seria capaz de transferir energia através do mecanismo "acelerador" para o meio interestelar, apesar das diferenças de velocidade, e assim sofreria muito menos arrasto.
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Trajetória pré-semeada
Várias das dificuldades técnicas óbvias com o ramjet Bussard podem ser superadas pelo pré-lançamento de combustível ao longo da trajetória da espaçonave usando algo como um canhão magnético.
As vantagens deste sistema incluem
- Lançar apenas combustível de fusão ionizado de modo que coletas magnéticas ou eletrostáticas possam canalizar mais facilmente o combustível para o motor. A desvantagem é que isso fará com que o combustível se disperse devido à repulsão eletrostática.
- Lançar o combustível em uma trajetória de modo que o vetor de velocidade do combustível corresponda de perto ao vetor de velocidade esperado da espaçonave naquele ponto de sua trajetória. Isso minimizará as forças de "arrasto" geradas pela coleta de combustível.
- Lançamento de relações isotópicas otimizadas para os motores de fusão da espaçonave. Um ramjet Bussard convencional coletará principalmente hidrogênio com um peso atômico de 1. Este isótopo é mais difícil de fundir do que os isótopos de deutério ou trítio do hidrogênio. Ao lançar a proporção ideal de isótopos de hidrogênio para o motor de fusão na espaçonave, pode-se otimizar o desempenho do motor de fusão.
- Embora o combustível pré-lançado para o ramjet negue uma vantagem do design Bussard (coleta de combustível à medida que se move através do meio interestelar, economizando o custo para lançar a massa de combustível), pelo menos retém a vantagem de não ter que acelerar a massa de o combustível e a massa do foguete ao mesmo tempo.
- O combustível pré-lançado forneceria alguma visibilidade no meio interestelar - alertando assim a espaçonave em movimento sobre perigos invisíveis (por exemplo, anãs marrons ).
As principais desvantagens deste sistema incluem
- A espaçonave não poderia se desviar da trajetória pré-calculada, a menos que fosse crítico fazê-lo. Qualquer desvio desse tipo separaria a espaçonave de seu suprimento de combustível e a deixaria com uma capacidade mínima de retornar à sua trajetória original.
- Combustível pré-lançado para desaceleração na estrela de destino não estaria disponível a menos que fosse lançado muitas décadas antes do lançamento da espaçonave. No entanto, outros sistemas (como as velas magnéticas ) podem ser usados para este propósito.
Referências
- Para mais informações sobre cálculos matemáticos ramjet, consulte Mallove, Eugene F .; Matloff, Gregory L. (1989). The Star Flight Handbook . ISBN 978-0-471-61912-3.
- Mallove, Eugene (1989). Manual do Starflight . John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3.
- Matloff, Gregory (5 de agosto de 2005). Sondas espaciais profundas: para o sistema solar externo e além . Livros Springer Praxis. ISBN 978-3540247722.
- Anderson, Poul (2006). Tau Zero . Gollancz. ISBN 978-1407239132.