¿Puede un láser enviar una nave espacial a Marte? Esta es la misión prevista del grupo de la Universidad McGill, diseñada para cumplir con la solicitud de la NASA. Un láser de 10 metros de ancho en la Tierra calentaría plasma de hidrógeno en una cámara detrás de la nave espacial, creando un impulso de gas de hidrógeno para la nave espacial y enviándolo a Marte en solo 45 días. Allí disminuiría la velocidad en la atmósfera marciana, entregando suministros a los colonos humanos, o tal vez algún día incluso entregando a los propios humanos.
En 2018, la NASA desafió a los ingenieros a desarrollar una misión a Marte que entregaría una carga útil de al menos 1000 kg en no más de 45 días, además de realizar viajes más largos hacia las profundidades del sistema solar y más allá. Los cortos plazos de entrega están motivados por el deseo de llevar cargas útiles y, algún día, astronautas a Marte, minimizando al mismo tiempo los efectos dañinos de los rayos cósmicos galácticos y las tormentas solares. SpaceX de Elon Musk sugiere que una misión humana a Marte tomará seis meses con sus cohetes químicos.
El concepto de McGill, llamado motor térmico láser, se basa en una serie de láseres infrarrojos ubicados en la Tierra, de 10 metros de diámetro, que combinan muchos rayos infrarrojos invisibles, cada uno con una longitud de onda de aproximadamente una micra, para una potencia total de 100 megavatios. Energía necesaria para aproximadamente 80,000 hogares estadounidenses. La carga útil, que orbita en una órbita terrestre media elíptica, tendrá un reflector que dirige un rayo láser proveniente de la Tierra hacia una cámara de calentamiento que contiene plasma de hidrógeno. Después de calentar su núcleo a 40 000 grados Kelvin (72 000 grados Fahrenheit), el gas de hidrógeno que fluye alrededor del núcleo alcanzará los 10 000 K (18 000 grados Fahrenheit) y será expulsado a través de una boquilla, creando un empuje para empujar la nave desde la Tierra con un intervalo de 58 minutos. (Los propulsores laterales mantendrán la nave en línea con el rayo láser a medida que la Tierra gira).
Cuando la radiación se detiene, la carga útil es expulsada a casi 17 kilómetros por segundo con respecto a la Tierra, lo suficientemente rápido como para cubrir la distancia orbital de la Luna en solo ocho horas. Cuando llegue a la atmósfera marciana dentro de un mes y medio, seguirá viajando a 16 km/s; sin embargo, una vez allí, colocarga útil en una órbita de 150 km alrededor de Marte será un desafío para el equipo de ingeniería.
Es complicado porque la carga útil no puede transportar el propulsor químico para lanzar el cohete y reducir su velocidad: el propulsor necesario reduciría la masa de la carga útil a menos del 6 por ciento de los 1000 kg originales. Y hasta que la gente en el planeta rojo pueda construir una matriz láser equivalente para que una nave que se aproxima use su reflector y cámara de plasma para proporcionar empuje inverso, la aerocaptura será la única forma de reducir la carga útil en Marte.
Aun así, la aerocaptura o aerofrenado en la atmósfera marciana puede ser una maniobra arriesgada, ya que la nave espacial experimenta una desaceleración de hasta 8 g (donde g es la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra, 9,8 m/s2), aproximadamente el límite humano, por solo unos minutos, ya que fue filmado en una pasada alrededor de Marte. Los grandes flujos de calor en el buque por fricción con la atmósfera serán superiores a los materiales tradicionales del sistema de protección térmica, pero no a los que están en desarrollo activo.
La propulsión láser térmica de naves espaciales hacia el espacio profundo (Marte y más allá) contrasta con otros métodos de transporte propuestos anteriormente, como la propulsión láser eléctrica, en la que un rayo láser golpea elementos fotovoltaicos (PV) detrás de la carga útil; un motor solar-eléctrico en el que la luz del sol en las células fotovoltaicas crea tracción; un motor eléctrico nuclear, en el que el reactor nuclear genera electricidad que produce iones emitidos por el motor; y un sistema de propulsión térmica nuclear, en el que el calor de un reactor nuclear convierte el líquido en gas, que se expulsa desde una tobera para generar empuje.
“La propulsión láser-térmica permite el transporte rápido de 1 tonelada con conjuntos de láser del tamaño de una pelota de voleibol, algo que la propulsión láser-eléctrica solo puede hacer con conjuntos de clase de kilómetro”, dice Emmanuel Duplay, autor principal del estudio, que trabajó en el proyecto durante dos años como parte del programa de verano de licenciatura en estudios de ingeniería en la Universidad McGill. Duplay actualmente está estudiando en la Universidad Tecnológica de Delft en un programa de Maestría en Ciencias en Ingeniería Aeroespacial con especialización en Vuelo Espacial.La gran ventaja del concepto de propulsión térmica por láser presentado por Duplay et al. es su relación masa-potencia extremadamente baja, en el rango de 0,001-0,010 kg/kW - "sin precedentes", escriben, "muy por debajo incluso de las que se dan para la tecnología de propulsión nuclear avanzada, debido al hecho de que la fuente de energía permanece en el suelo y la corriente entregada se puede tratar con un reflector inflable de baja masa ".
El movimiento térmico con láser se estudió por primera vez en la década de 1970 utilizando láseres de CO2 de 10,6 micras, los más potentes en ese momento. Los modernos láseres de fibra óptica de una micra, que se pueden combinar en matrices masivamente paralelas con grandes diámetros efectivos, significan que la distancia focal de la transferencia de energía es dos órdenes de magnitud mayor: 50 000 km en un láser Duplay.
Duplay explica que la arquitectura de láser de matriz en fase está siendo desarrollada por un grupo dirigido por el físico Philip Lubin en la Universidad de California, Santa Bárbara. La matriz del grupo Lubin utiliza amplificadores láser individuales de aproximadamente 100 vatios cada uno; cada amplificador es un bucle simple de fibra y LED como bomba, y puede producirse en masa a bajo costo, por lo que la misión a Marte prevista aquí requeriría del orden de 1 millón amplificadores individuales.
Es probable que los primeros humanos en Marte no lleguen allí con la tecnología láser térmica. “Sin embargo, a medida que más personas hagan el viaje para apoyar una colonia a largo plazo, necesitaremos sistemas de propulsión que nos lleven allí más rápido, aunque solo sea para evitar el peligro de la radiación”, dice Duplay. Él cree que una misión láser-térmica a Marte podría comenzar 10 años después de los primeros vuelos humanos, es decir, alrededor de 2040.
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