Propulsion Espacial

Se denomina propulsión espacial a cualquier tecnología capaz de impulsar una nave por el espacio. Para efectuar viajes espaciales es necesario algún sistema de propulsión capaz de imprimir aceleración a los vehículos. Debido al vacío del espacio exterior, cualquier aceleración deberá basarse en la tercera ley Newton o Ley de acción y reacción, según la cual, "por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza de igual intensidad pero de sentido contrario". De esta manera, si un objeto expulsa parte de su masa en una dirección, el resto del objeto se desplazará en sentido contrario. Éste es el fundamento de los motores a reacción, también llamados de "propulsión a chorro": en ellos, parte de la masa de la nave (el combustible) es expulsada a gran velocidad en una dirección, ocasionando que el resto de la nave se desplace en el sentido opuesto.

El motor más empleado para la propulsión de naves espaciales es el motor cohete, pues es capaz de generar una enorme potencia y, a diferencia de otros tipos de motores, no necesita de atmósfera para funcionar. Sin embargo, a pesar de la gran potencia de los motores cohete, las enormes distancias espaciales demandan motores con un impulso específico mayor, esto es, capaces de obtener más velocidad con el mismo peso de propelente. Con este propósito se están desarrollando los motores iónicos, que gracias a la mayor velocidad de salida del propelente pueden ser diez veces más eficientes. Aun así, ningún motor conocido hasta el momento es capaz de obtener velocidades suficientes como para plantear viajes interestelares. No obstante, existen diversas alternativas a los motores a reacción: la más inmediata la constituyen las velas solares, capaces de obtener impulso de la radiación solar, del viento solar o incluso de rayos láser o de microondas enviados desde la Tierra. No se puede descartar tampoco que en un futuro lejano sean viables otros métodos de propulsión más exóticos, como los "motores de curvatura" o motores Warp.



Prototipo Warp

La necesidad de sistemas de propulsion

Las naves espaciales que pretendan realizar viajes interestelares necesitarán métodos de propulsión más eficientes, pues dada la magnitud de las distancias interestelares, se necesitará de una gran velocidad para recorrerlas en un intervalo de tiempo razonable hasta llegar al destino. Adquirir estas velocidades es un reto tecnologico hoy en dia.

Requerimientos de la propulsión a chorro

Para lograr que un cohete funcione son necesarias dos cosas:

• Masa de reacción
• Energía

El impulso proporcionado al expulsar una partícula de masa reactiva, si esta posee una masa de m a una velocidad v, es igual a m·v. Pero esta partícula se expulsa con una energía cinética igual a m·v²/2, que debe proceder de alguna parte. En un cohete de combustible sólido, líquido, o híbrido, el propelente debe quemarse, proporcionando energía, y los productos de la reacción se permite que fluyan hacia el exterior por la parte trasera de la nave espacial, proporcionando masa reactiva. En un propulsor iónico, se emplea la electricidad para acelerar los iones y expulsarlos. Existen otros dispositivos que proporcionan energía electrica como los paneles solares o un reactor nuclear), mientras que los iones son los encargados de proporcionar la masa reactiva.

Cálculos de la propulsión a chorro

Quemando el propelente de un cohete de una nave espacial es la mejor forma de producir un cambio neto de velocidad en el espacio; a esta variación la denominamos 'delta-v'. La variación total de velocidad la representamos como Δv de un vehículo y representa una de las incógnitas a resolver cuando se emplea la ecuación cinemática de un cohete, donde M es la masa de combustible (o de propelente), P es la masa de la [[carga útil] (incluyendo la masa estrucural del cohete), y v_e es la velocidad de evacuación de propelente por la tobera. Todo estos parámetros forman parte de la Ecuación de Tsiolkovsky:

Por razones históricas, la velocidad v_e se escribe a menudo como

donde I_sp es el impulso específico del cohete, medido en segundos, y g_o es la aceleración gravitatoria en la superficie terrestre. Para un viaje de largas distancias la mayoría de la masa de la nave espacial es masa reactiva. Debido a que es necesario que la masa reactiva proporcione un aumento de velocidad a la masa de la carga útil. Si se tuviera que proporcionar a una carga útil de masa P un cambio de velocidad de Δv, y el motor del cohete tuviera una velocidad de evacuación v_e, entonces la masa M reactiva sería calculada mediante la ecuación de Tsiolkovsky mediante I_sp

Para Δv más pequeña que la v_e, esta ecuación es lineal, y puede verse que basta con emplear una pequeña masa reactiva. Si Δv es comparable con v_e, entonces existe la necesidad de que se necesite aproximadamente el doble de masa de propelante que de carga útil (lo que incluye motores, tanques de combustible, estructura, y demás). Tras estas características el crecimiento es exponencial; las velocidades más altas que la velocidad de evacuación requieren muy altos ratios de masa de propelante con respecto a la carga de pago (carga útil). Para poder lograr esto, alguna cantidad de energía debe ir para poder acelerar la masa reactiva. Además conviene suponer que nunca los motores (Por reglas termodinámicas) son 100% eficientes, liberan energía sin utilizar, pero si se asume un 100% de eficiencia se necesitaría una energía de

Vela solar

Los científicos de la NASA buscan nueva formas para la propulsión espacial, y desarrollaron las velas solares.

Existen 2 tipos de velas solares:

Velas de fotones o fotónicas, consistentes en una gran superficie compuesta por una o varias láminas reflectantes muy ligeras, capaces de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar para obtener impulso. Además de fotones de origen solar, las velas pueden diseñarse para aprovechar cualquier otro tipo de ondas electromagnéticas generadas por el hombre, tales como rayos láser o microondas.

Velas de plasma. A diferencia de las velas fotónicas, consisten en grandes mallas o redes en las que se genera un campo eléctrico o magnético capaz de interceptar el plasma del viento solar para obtener impulso. En función del campo que generen, estas velas se denominan velas magnéticas o velas eléctricas.