Vela magnética

La vela magnética es un método propuesto para la propulsión espacial que utilizaría un campo magnético estático para desviar las partículas cargadas emitidas por el sol como viento de plasma, impartiendo así un impulso para acelerar la nave espacial. . Una vela magnética también podría extraer el empuje directamente de la magnetosfera planetaria y solar.

Cuando una partícula cargada, como un protón o electrón, se mueve a través de un campo magnético perpendicular a las líneas de campo, se desvía de su trayectoria. El viento solar del sol trae, cerca de la Tierra, varios millones de protones y electrones por metro cúbico. Los protones se alejan del sol a velocidades de entre 400 y 600 kilómetros por segundo. En teoría, una vela magnética podría desviar estas partículas para obtener una cierta cantidad de impulso de ellas. Una nave espacial debe desplegar una gran bobina de cable superconductor para generar el campo magnético y posiblemente otras bobinas auxiliares para dirigir o reducir los riesgos de la radiación generada por las partículas cargadas. Las velas magnéticas son una tecnología de propulsión atractiva porque los cálculos muestran que tales velas superconductoras podrían tener una mejor relación masa-empuje que las velas solares. El funcionamiento de las velas magnéticas utilizando viento de plasma es similar al de las velas solares utilizando la presión de la radiación de fotones emitida por el sol. Aunque las partículas del viento solar tienen masa y los fotones no, la luz solar tiene un impulso miles de veces mayor que el viento solar. Como resultado, una vela magnética debe desviar un área proporcionalmente mayor de viento solar que una vela solar comparable para generar la misma cantidad de empuje. Sin embargo, no necesita tener una masa tan grande como la de la vela solar, ya que el viento solar es desviado por un campo magnético en lugar de una vela de material grande. La masa de la bobina superconductora y la fuente de energía utilizada para generar el campo puede ser menor que la de una vela solar equivalente. Una vela magnética también puede depender directamente de la magnetosfera planetaria y solar, mientras que una vela solar no puede. Cuando está muy cerca de un planeta con una magnetosfera fuerte, como la tierra o un gigante gaseoso, la vela magnética podría generar más empuje utilizando la interacción con la magnetosfera en lugar de la interacción con el viento solar. Este principio de funcionamiento es similar al de la correa electrodinámica. El área de la sección de interacción de la vela magnética se extendería en dos dimensiones mucho más amplias que una correa electrodinámica, que tiene solo una dimensión. Por lo tanto, se generaría una fuerza inductiva mucho mayor en el mismo material conductor. Una vela magnética podría depositarse envuelta en una nave espacial cuando no esté en uso. Podría ser una bobina de cable superconductor. Para liberarlo, bastaría con hacer circular una corriente eléctrica; el campo magnético así generado tendería a expandir la espiral, ayudando a "inflar" la vela y forzar una forma circular. Como el cable sería superconductor y la intensidad del campo magnético no varía cuando el dispositivo está en funcionamiento, no se requiere energía adicional para operar todo. El cable puede ser delgado, ya que la vela magnética funcionaría con campos magnéticos muy débiles, típicamente del orden de 0.00001 tesla (10 microtesla es aproximadamente la fuerza del campo magnético de la Tierra en el Ecuador). En las magnetosferas planetarias y el viento de plasma, una vela magnética es más eficiente con corrientes pequeñas y un campo magnético grande y débil. El resultado es un Cable delgado y ligero con un radio muy grande. Puede ser posible evitar completamente el uso de alambre y utilizar un campo circular de plasma de gas excitado eléctricamente en lugar de una bobina de alambre. Este enfoque se denomina propulsión de Plasma mini-Magnetosférica (propulsión de Plasma mini-Magnetosférica).

Cuando se opera lejos de las magnetosferas planetarias, una vela magnética fuerza a los protones cargados positivamente del viento solar a curvarse a medida que pasan a través del campo magnético. El cambio en el momento de los protones empujaría el campo magnético y luego la espiral que lo genera. Al igual que las velas solares, las magnéticas pueden "virar" . Si una vela magnética está orientada en un ángulo con respecto al viento solar, las partículas cargadas se desvían preferiblemente hacia un lado y la vela magnética se empuja hacia los lados. Esto significa que las velas magnéticas pueden maniobrar en muchas órbitas. De esta manera, la cantidad de empuje generado por una vela magnética decae proporcionalmente al cuadrado de su distancia del sol, de la misma manera que reduce la densidad de flujo de partículas cargadas. La meteorología Solar también es la que más afecta a la navegación. Es posible que las erupciones de plasma de una gran llamarada puedan dañar una vela eficiente pero frágil. Un error común es que una vela magnética no puede exceder la velocidad del plasma que la empuja. A medida que aumenta la velocidad de una vela magnética, su aceleración depende cada vez más de su capacidad para girar de manera eficiente. A altas velocidades la dirección del viento de plasma parecería venir cada vez más de delante del vehículo. Los veleros espaciales avanzados podrían estirar los giros de campo como "derivas" , de modo que el vehículo pueda usar la diferencia vectorial entre el campo magnético solar y el viento solar, como lo haría un velero con el viento y el mar. Una vela magnética ubicada en una magnetosfera planetaria puede extraer su empuje del campo magnético del planeta, especialmente en una órbita que transita sobre los polos magnéticos del planeta, similar a la correa electrodinámica. Las maniobras realizadas por una vela magnética dentro de una magnetosfera planetaria son más limitadas que las posibles en un viento de plasma. Al igual que con los imanes familiares utilizados en la Tierra, una vela magnética solo puede ser atraída o rechazada por los polos de la magnetosfera, dependiendo de su orientación. Cuando el campo magnético de la vela está orientado en la dirección opuesta a la magnetosfera, experimenta una fuerza hacia adentro y en la dirección del Polo más cercano a usted, y cuando está orientado en la misma dirección, experimenta el efecto opuesto. Una vela magnética orientada como la magnetosfera no es estable y debe evitar ser volteada al revés en la orientación opuesta de otras maneras. El empuje que una vela magnética puede dar dentro de una magnetosfera disminuye con la cuarta potencia de su distancia del dínamo magnético dentro del planeta. Esta maniobrabilidad limitada puede ser útil. Variando la fuerza del campo magnético de la vela durante el curso de su órbita es posible obtener un "calcio perigeo" elevando la altitud del apogeo de su órbita. Repetir este proceso en cada órbita puede llevar el apogeo de la vela magnética más y más alto, hasta que el vehículo sea capaz de abandonar la magnetosfera planetaria y capturar el viento solar. El mismo proceso inverso se puede utilizar para bajar o hacer circular el apogeo de la órbita de una vela magnética cuando llega al planeta objetivo. En teoría, es posible lanzar una vela magnética directamente desde la superficie de un planeta cerca de uno de sus polos magnéticos, de modo que sea repelida por el campo magnético planetario. Sin embargo, esto requiere que la vela magnética se mantenga en la orientación "inestable" . Además, un lanzamiento desde la Tierra requeriría superconductores con una densidad de corriente 80 veces superior a los superconductores de alta temperatura más conocidos. El espacio interestelar contiene cantidades muy pequeñas de hidrógeno; una vela que se mueve rápidamente ionizaría este hidrógeno acelerando sus electrones (negativos) en una dirección y protones (positivos) en la otra. La energía necesaria para la ionización y la radiación ciclotrónica sería tomada por la energía cinética de la nave espacial, ralentizándola en consecuencia. La radiación ciclotrónica de la aceleración de partículas sería un "gemido" fácilmente detectable en radiofrecuencias. En los vuelos espaciales interestelares fuera de la heliopausa de una estrella, una vela magnética podría comportarse como un paracaídas capaz de ralentizar una nave espacial. Esto elimina cualquier necesidad de combustible requerido para la desaceleración en medio de un viaje interestelar, trayendo enormes beneficios a esta posibilidad. La vela magnética fue propuesta por primera vez para este propósito en 1985 por Robert Zubrin y Dana Andrews, antes de otros usos, y evolucionó a partir de un diseño de colector Bussard que utiliza un embudo magnético para recoger el medio interestelar. Las velas magnéticas también podrían utilizarse con propulsión de haz de partículas utilizando un acelerador de partículas de alta potencia para disparar un haz de partículas cargadas hacia la nave espacial. La vela magnética desviaría este haz transfiriendo impulso al vehículo. Esto daría una aceleración mucho mayor que la que se puede obtener con una vela solar empujada por un láser, aunque un haz de partículas se dispersaría a una distancia mucho más corta que un láser debido a la repulsión electrostática de las partículas que lo componen.

La navegación magnética está predominantemente presente en las novelas de ciencia ficción de Michael Flynn, particularmente en el naufragio del Río De Las estrellas; este libro describe la historia de un velero magnético en un momento en que la propulsión de fusión nuclear basada en el fusor Farnsworth - Hirsch se convirtió en la tecnología preferida.

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