Recreación artística del proyecto Dragonfly

La NASA y China planean misiones tripuladas a Marte en la próxima década. Si bien esto representa un gran salto en términos de exploración espacial, también presenta importantes desafíos logísticos y tecnológicos. Para empezar, las misiones solo pueden lanzarse a Marte cada 26 meses cuando nuestros dos planetas están en los puntos más cercanos de su órbita entre sí (durante una «Oposición»). Usando la tecnología actual, llevaría de seis a nueve meses llegar de la Tierra a Marte.

Incluso con propulsión nuclear-térmica o nuclear-eléctrica (NTP/NEP), un tránsito en un solo sentido podría tardar 100 días en llegar a Marte. Sin embargo, un equipo de investigadores de la Universidad McGill de Montreal evaluó el potencial de un sistema de propulsión térmica por láser. Según su estudio, una nave espacial que se basa en un novedoso sistema de propulsión, donde se utilizan láseres para calentar el combustible de hidrógeno, ¡podría reducir los tiempos de tránsito a Marte a solo 45 días!

La investigación fue dirigida por Emmanuel Duplay, un graduado de McGill y actual estudiante de Master en Ingeniería Aeroespacial en TU Delft. A él se unieron el profesor asociado Andrew Higgins y varios investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad McGill. Su estudio, titulado «Diseño de una misión de tránsito rápido a Marte utilizando propulsión térmica por láser», se presentó recientemente a la revista Astronomy & Astronomy.

Impresión artística de una vela láser de propulsión de energía dirigida en acción. Crédito: Q. Zhang/deepspace.ucsb.edu

En los últimos años, la propulsión de energía dirigida (DE) ha sido objeto de considerable investigación e interés. Los ejemplos incluyen el programa Starlight, también conocido como programas de Propulsión de energía dirigida para la exploración interestelar (DEEP-IN) y Estudios interestelares de energía dirigida (DEIS), desarrollado por el Prof. Phillip Lubin y el Grupo de Cosmología Experimental (ECG) de la UCSB. Como parte de una investigación financiada por la NASA que comenzó en 2009, estos programas tienen como objetivo adaptar aplicaciones de DE a gran escala para misiones interestelares.

También están Breakthrough Starshot y Project Dragonfly, los cuales surgieron de un estudio de diseño organizado por la Iniciativa para Estudios Interestelares (i4iS) en 2013. Estos conceptos requieren una matriz de láser de gigavatios de potencia para acelerar una vela de luz y una pequeña nave espacial a una fracción. de la velocidad de la luz (también conocido como velocidades relativistas) para llegar a los sistemas estelares cercanos en décadas, en lugar de siglos o milenios.

Pero mientras que estos conceptos tienen un enfoque interestelar, Duplay y sus colegas exploraron la posibilidad de un concepto interplanetario. Como explicó Duplay a Universe Today:

“La última aplicación de la propulsión de energía dirigida sería impulsar una vela ligera hacia las estrellas para un verdadero viaje interestelar, una posibilidad que motivó a nuestro equipo que realizó este estudio. Estábamos interesados ​​en cómo se podría usar la misma tecnología láser para un tránsito rápido en el sistema solar, que con suerte será un trampolín a corto plazo que pueda demostrar la tecnología”.

Concepto de Breakthrough Starshot para una vela ligera impulsada por láser. Crédito: Breakthrough Initiatives

Además de la propulsión de velas láser, DE se está explorando para otras aplicaciones de exploración espacial. Esto incluye transmisión de energía hacia y desde naves espaciales y hábitats permanentemente sombreados (por ejemplo, el Programa Artemis), comunicaciones, defensa contra asteroides y la búsqueda de posibles firmas tecnológicas. También hay un concepto para una nave espacial láser-eléctrica que está siendo investigada por la NASA y como parte de un estudio colaborativo entre UCSB ECG y MIT.

Para esta aplicación, los láseres se utilizan para entregar energía a los conjuntos fotovoltaicos en una nave espacial, que se convierte en electricidad para alimentar un propulsor de efecto Hall (motor de iones). Esta idea es similar a un sistema de propulsión nuclear-eléctrica (NEP), donde una matriz de láser toma el lugar de un reactor nuclear. Como explicó Duplay, su concepto está relacionado pero es diferente:

“Nuestro enfoque es complementario a estos conceptos, ya que utiliza el mismo concepto de láser de matriz en fase, pero usaría un flujo de láser mucho más intenso en la nave espacial para calentar directamente el propulsor, similar a una caldera de vapor gigante. Esto permite que la nave espacial acelere rápidamente mientras aún está cerca de la Tierra, por lo que el láser no necesita enfocarse tan lejos en el espacio.

“Nuestra nave espacial es como un coche de carreras que acelera muy rápido mientras aún está cerca de la Tierra. Creemos que incluso podemos usar el mismo motor de cohete impulsado por láser para devolver el propulsor a la órbita terrestre, después de que haya lanzado el vehículo principal a Marte, lo que le permitirá reciclarlo rápidamente para el próximo lanzamiento”.

Concepción artística de un cohete nuclear que facilitaría las misiones a Marte. Crédito: Rolls-Royce

En este sentido, el concepto propuesto por Duplay y sus colegas es similar a un sistema de propulsión nuclear-térmica (NTP), donde el láser ha tomado el lugar de un reactor nuclear. Además de propulsor de hidrógeno y DE, la arquitectura de misión para una nave espacial láser térmica incluye varias tecnologías de otras arquitecturas. Como indicó Duplay, incluyen:

“Conjuntos de láseres de fibra óptica que actúan como un solo elemento óptico, estructuras espaciales inflables que se pueden usar para enfocar el rayo láser cuando llega a la nave espacial a la cámara de calentamiento, y el desarrollo de materiales de alta temperatura que permitan que la nave espacial se rompa contra la atmósfera marciana al llegar”.

Este último elemento es esencial dado que no hay una matriz de láser en Marte para desacelerar la nave espacial una vez que llega a Marte. “El reflector inflable es una clave de otras arquitecturas de energía dirigida: diseñado para ser altamente reflectante, puede soportar una mayor potencia de láser por unidad de área que un panel fotovoltaico, lo que hace que esta misión sea factible con un tamaño de matriz de láser modesto en comparación con la propulsión por láser eléctrico”, añadió Duplay.

Al combinar estos elementos, un cohete láser-térmico podría permitir tránsitos muy rápidos a Marte que serían tan cortos como seis semanas, algo que antes solo se consideraba posible con motores de cohetes de propulsión nuclear. El beneficio más inmediato es que presenta una solución a los peligros de los tránsitos en el espacio profundo, como la exposición prolongada a la radiación y la microgravedad.

Impresión artística del Campamento Base de Marte en órbita alrededor de Marte. Cuando comiencen las misiones a Marte, uno de los mayores riesgos será el que plantea la radiación espacial. Crédito: Lockheed Martin

Al mismo tiempo, dice Duplay, la misión presenta algunos obstáculos ya que muchas de las tecnologías involucradas son de última generación y aún no se han probado:

“La cámara de calentamiento por láser es probablemente el desafío más importante: ¿Podemos contener gas hidrógeno, nuestro propulsor, mientras el rayo láser lo calienta a temperaturas superiores a 10.000 K y al mismo tiempo mantiene frías las paredes de la cámara? Nuestros modelos dicen que esto es factible, pero las pruebas experimentales a gran escala no son posibles en este momento porque aún no hemos construido los láseres de 100 MW necesarios”.

Si bien gran parte de la tecnología en esta arquitectura de misión propuesta, y otras propuestas similares, aún se encuentra en la fase de teoría y desarrollo, no hay duda sobre su potencial. Reducir el tiempo que lleva llegar a Marte a una cuestión de semanas en lugar de meses abordará dos de los mayores desafíos para las misiones a Marte: las consideraciones logísticas y de salud.

Además, establecer un sistema de tránsito rápido entre la Tierra y Marte acelerará la creación de infraestructura entre la Tierra y Marte. Esto podría incluir una estación espacial similar a Gateway en órbita de Marte, como el Campamento Base de Marte propuesto por Lockheed Martin, así como una matriz de láser para desacelerar la nave espacial entrante. La presencia de estas instalaciones también aceleraría los planes para crear una presencia humana permanente en la superficie. Como concluyó el profesor Higgins:

“El estudio de diseño de Marte en 45 días que dirigió Emmanuel estuvo motivado por la exploración de otras aplicaciones a corto plazo de la tecnología láser de matriz en fase que está desarrollando el grupo de Philip Lubin. La capacidad de enviar energía al espacio profundo a través del láser sería una tecnología disruptiva para la propulsión y la potencia. Nuestro estudio examinó el enfoque térmico láser, que parece alentador, pero la tecnología láser en sí es el verdadero cambio de juego».

Artículo con fines divulgativos basado en el artículo original en Inglés.
Créditos: Matt Williams, Universe Today
Salvo indicación contraria este trabajo está licenciado por el autor bajo la licencia International Creative Commons Attribution 4.0

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