Bucle de lanzamiento

Un bucle de lanzamiento , o bucle de Lofstrom , es un sistema propuesto para lanzar objetos a la órbita utilizando un sistema similar a un cable móvil situado dentro de una funda unida a la Tierra en dos extremos y suspendido sobre la atmósfera en el medio. El concepto de diseño fue publicado por Keith Lofstrom y describe un sistema de transporte por cable de levitación magnética con estructura activa que tendría alrededor de 2000 km (1240 mi) de largo y se mantendría a una altitud de hasta 80 km (50 mi). Un bucle de lanzamiento se mantendría a esta altitud por el impulso de una correa que circula alrededor de la estructura. Esta circulación, en efecto, transfiere el peso de la estructura a un par de cojinetes magnéticos, uno en cada extremo, que lo sostienen.

Los bucles de lanzamiento tienen como objetivo lograr el lanzamiento al espacio de vehículos de 5 toneladas de peso sin cohetes acelerándolos electromagnéticamente para que sean proyectados a la órbita terrestre o incluso más allá. Esto se lograría mediante la parte plana del cable que forma una pista de aceleración sobre la atmósfera. ^[1]

El sistema está diseñado para ser adecuado para el lanzamiento de humanos para el turismo espacial , la exploración espacial y la colonización espacial , y proporciona una aceleración relativamente baja de 3 g . ^[2]

Los bucles de lanzamiento fueron descritos por Keith Lofstrom en el Reader's Forum of the American Astronautical Society News Letter de noviembre de 1981 y en L5 News de agosto de 1982.

En 1982, Paul Birch publicó una serie de artículos en el Journal of the British Interplanetary Society que describían los anillos orbitales y describían una forma que él llamó Partial Orbital Ring System (PORS). ^[3] La idea del bucle de lanzamiento fue trabajada con más detalle alrededor de 1983-1985 por Lofstrom. ^{[2] [4]} Es una versión desarrollada de PORS específicamente dispuesta para formar una pista de aceleración de levitación magnética adecuada para lanzar humanos al espacio; pero mientras que el anillo orbital usaba levitación magnética superconductora , los bucles de lanzamiento usan suspensión electromagnética (EMS).

Consideremos un gran cañón en una isla que dispara un proyectil a la alta atmósfera. El proyectil seguirá una trayectoria aproximadamente parabólica durante el vuelo inicial, pero la resistencia aerodinámica lo ralentizará y hará que regrese a la Tierra en una trayectoria mucho más vertical. Se podría hacer que la trayectoria fuera puramente balística encerrando la trayectoria prevista en un tubo y eliminando el aire. Suspender un tubo de este tipo sería un problema importante dependiendo de la longitud de la trayectoria. Sin embargo, se puede utilizar el proyectil para proporcionar esta fuerza de sustentación, al menos temporalmente. Si el tubo no está exactamente a lo largo de la trayectoria de vuelo del proyectil, sino ligeramente por debajo de ella, a medida que el proyectil pasa a través del tubo, se verá forzado hacia abajo, lo que producirá una fuerza ascendente sobre el tubo. Para mantenerse en el aire, el sistema requeriría que los proyectiles se dispararan continuamente.

El bucle de lanzamiento es, en esencia, una versión continua de este concepto. En lugar de un cañón que dispara un proyectil, un impulsor de masa acelera un cable en una trayectoria similar. El cable está rodeado por un tubo de vacío, que se mantiene en el aire empujando el cable hacia abajo con electroimanes . Cuando el cable cae de nuevo a la Tierra en el otro extremo de la trayectoria, es capturado por un segundo impulsor de masa, doblado 180 grados y enviado de nuevo hacia arriba en la trayectoria opuesta. El resultado es un único bucle que viaja continuamente y mantiene el tubo en el aire.

Para utilizar el sistema como lanzador espacial, se necesitaría un bucle de lanzamiento de unos 2.000 km de largo y 80 km de alto. El bucle tendría forma de tubo, conocido como vaina . Flotando dentro de la vaina hay otro tubo continuo, conocido como rotor , que es una especie de correa o cadena. El rotor es un tubo de hierro de aproximadamente 5 cm (2 pulgadas) de diámetro, que se mueve alrededor del bucle a 14 km/s (31.000 millas por hora). Mantener el sistema en el aire requiere una cantidad significativa de sustentación, y la trayectoria resultante es mucho más plana que la trayectoria balística natural del rotor. ^[2]

Debido a la posibilidad de que el bucle falle y caiga a la Tierra, normalmente se considera que circula entre dos islas fuera de las rutas de transporte marítimo pesado.

Cuando está en reposo, el bucle se encuentra al nivel del suelo. A continuación, se acelera el rotor hasta alcanzar la velocidad necesaria. A medida que aumenta la velocidad del rotor, se curva formando un arco. La estructura se mantiene en pie gracias a la fuerza del rotor, que intenta seguir una trayectoria parabólica. Los anclajes al suelo la obligan a ir paralela a la tierra al alcanzar la altura de 80 kilómetros. Una vez elevada, la estructura requiere energía continua para superar la energía disipada. Se necesitaría energía adicional para impulsar cualquier vehículo que se lance. ^[2]

Para el lanzamiento, los vehículos se elevan mediante un cable "elevador" que cuelga del muelle de carga de la estación Oeste a 80 km y se colocan sobre la pista. La carga aplica un campo magnético que genera corrientes parásitas en el rotor de rápido movimiento. Esto levanta la carga útil alejándola del cable y a la vez la arrastra con una aceleración de 3 g (30 m/s²). Luego, la carga útil se desplaza por el rotor hasta que alcanza la velocidad orbital requerida y abandona la pista. ^[2]

Si se necesita una órbita estable o circular, una vez que la carga útil alcanza la parte más alta de su trayectoria, se necesita un motor de cohete a bordo ("motor de arranque") u otro medio para circularizar la trayectoria a la órbita terrestre adecuada. ^[2]

La técnica de corrientes de Foucault es compacta, ligera y potente, pero ineficiente. Con cada lanzamiento, la temperatura del rotor aumenta en 80 kelvin debido a la disipación de potencia. Si los lanzamientos se realizan demasiado seguidos, la temperatura del rotor puede acercarse a los 770 °C (1043 K), momento en el que el rotor de hierro pierde sus propiedades ferromagnéticas y se pierde la contención del rotor. ^[2]

Las órbitas cerradas con un perigeo de 80 km se desintegran y vuelven a entrar con bastante rapidez, pero además de dichas órbitas, un bucle de lanzamiento por sí solo también sería capaz de inyectar directamente cargas útiles en órbitas de escape , trayectorias de asistencia gravitacional más allá de la Luna y otras órbitas no cerradas, como las cercanas a los puntos troyanos .

Para acceder a órbitas circulares mediante un bucle de lanzamiento, sería necesario lanzar un "motor de arranque" relativamente pequeño con la carga útil, que se activaría en el apogeo y circularizaría la órbita. Para la inserción en órbita geoestacionaria, esto tendría que proporcionar un delta-v de aproximadamente 1,6 km/s; para que la órbita baja se circularizara a 500 km, se requeriría un delta-v de solo 120 m/s. Los cohetes convencionales requieren delta-v de aproximadamente 14 y 10 km/s para alcanzar la órbita geoestacionaria y la órbita baja respectivamente. ^[2]

Los bucles de lanzamiento diseñados por Lofstrom están ubicados cerca del ecuador ^[2] y solo pueden acceder directamente a órbitas ecuatoriales. Sin embargo, se pueden alcanzar otros planos orbitales mediante cambios de altitud, perturbaciones lunares o técnicas aerodinámicas.

La capacidad de velocidad de lanzamiento de un bucle de lanzamiento está limitada en última instancia por la temperatura y la tasa de enfriamiento del rotor a 80 por hora, pero eso requeriría una central eléctrica de 17 GW ; una central eléctrica más modesta de 500 MW es suficiente para 35 lanzamientos por día. ^[2]

Para que un bucle de lanzamiento sea económicamente viable, se necesitarían clientes con requisitos de lanzamiento de carga útil suficientemente grandes.

Lofstrom estima que un bucle inicial que cuesta aproximadamente 10.000 millones de dólares y se amortiza en un año podría lanzar 40.000 toneladas métricas al año y reducir los costos de lanzamiento a 300 dólares por kilo. Por 30.000 millones de dólares, con una mayor capacidad de generación de energía, el bucle podría lanzar 6 millones de toneladas métricas al año y, dado un período de amortización de cinco años, los costos de acceso al espacio con un bucle de lanzamiento podrían ser tan bajos como 3 dólares por kilo. ^[5]

En comparación con los ascensores espaciales, no es necesario desarrollar nuevos materiales de alta resistencia a la tracción, ya que la estructura resiste la gravedad de la Tierra soportando su propio peso con la energía cinética del bucle en movimiento, y no mediante la resistencia a la tracción.

Se espera que los bucles de lanzamiento de Lofstrom se lancen a un ritmo elevado (muchos lanzamientos por hora, independientemente del clima) y no sean contaminantes en sí mismos. Los cohetes generan contaminación, como nitratos, en sus escapes debido a la alta temperatura de los mismos, y pueden generar gases de efecto invernadero dependiendo de la elección del combustible. Los bucles de lanzamiento como forma de propulsión eléctrica pueden ser limpios y pueden funcionar con energía geotérmica, nuclear, eólica, solar o cualquier otra fuente de energía, incluso intermitente, ya que el sistema tiene una enorme capacidad de almacenamiento de energía incorporada.

A diferencia de los ascensores espaciales, que tendrían que viajar a través de los cinturones de Van Allen durante varios días, los pasajeros del bucle de lanzamiento pueden ser lanzados a la órbita baja terrestre, que está por debajo de los cinturones, o a través de ellos en unas pocas horas. Esta sería una situación similar a la que enfrentaron los astronautas del Apolo, que recibieron dosis de radiación de aproximadamente el 0,5% de la que les daría el ascensor espacial. ^[6]

A diferencia de los ascensores espaciales, que están expuestos a los riesgos de los desechos espaciales y los meteoritos a lo largo de toda su longitud, los bucles de lanzamiento se situarán a una altitud en la que las órbitas sean inestables debido a la resistencia del aire. Como los desechos no persisten, sólo tienen una oportunidad de impactar en la estructura. Aunque se espera que el período de colapso de los ascensores espaciales sea del orden de años, se espera que los daños o el colapso de los bucles de esta manera sean poco frecuentes. Además, los bucles de lanzamiento en sí no son una fuente importante de desechos espaciales, incluso en caso de accidente. Todos los desechos generados tienen un perigeo que intersecta la atmósfera o se encuentran a velocidad de escape.

Los bucles de lanzamiento están pensados ​​para el transporte humano, para proporcionar una aceleración segura de 3 g que la gran mayoría de las personas serían capaces de tolerar bien, ^[2] y serían una forma mucho más rápida de llegar al espacio que los ascensores espaciales.

Los bucles de lanzamiento funcionarían silenciosamente y no causarían ninguna contaminación acústica, a diferencia de los cohetes.

Por último, sus bajos costes de carga útil son compatibles con el turismo espacial comercial a gran escala e incluso con la colonización espacial . ^{[ cita requerida ]}

Un bucle en funcionamiento tendría una cantidad de energía extremadamente grande en su momento lineal. Si bien el sistema de suspensión magnética sería altamente redundante, y las fallas de secciones pequeñas no tendrían prácticamente ningún efecto, si ocurriera una falla importante, la energía en el bucle (1,5 × 10 ¹⁵ julios o 1,5 petajulios) se acercaría a la misma liberación total de energía que una explosión de bomba nuclear (350 kilotones de TNT equivalente ), aunque no emitiría radiación nuclear.

Si bien se trata de una cantidad significativa de energía, es poco probable que destruya gran parte de la estructura debido a su gran tamaño y a que la mayor parte de la energía se descargaría deliberadamente en lugares preseleccionados cuando se detecte la falla. Es posible que sea necesario tomar medidas para bajar el cable desde una altitud de 80 km con un daño mínimo, por ejemplo, mediante el uso de paracaídas.

Por lo tanto, por razones de seguridad y astrodinámicas , los bucles de lanzamiento están pensados ​​para instalarse sobre un océano cerca del ecuador, lejos de zonas habitadas.

El diseño publicado de un bucle de lanzamiento requiere un control electrónico de la levitación magnética para minimizar la disipación de energía y estabilizar el cable, que de otro modo estaría poco amortiguado.

Los dos principales puntos de inestabilidad son los tramos de retorno y el cable.

Las secciones de giro son potencialmente inestables, ya que el movimiento del rotor alejándose de los imanes produce una atracción magnética reducida, mientras que los movimientos más cercanos producen una atracción mayor. En ambos casos, se produce inestabilidad. ^[2] Este problema se resuelve de forma rutinaria con los sistemas de control servo existentes que varían la fuerza de los imanes. Aunque la fiabilidad del servo es un problema potencial, a la alta velocidad del rotor, muchas secciones consecutivas tendrían que fallar para que se perdiera la contención del rotor. ^[2]

Las secciones de cable también comparten este problema potencial, aunque las fuerzas son mucho menores. ^[2] Sin embargo, existe una inestabilidad adicional debido a que el cable/vaina/rotor puede experimentar modos serpenteantes (similares a una cadena Lariat ) que crecen en amplitud sin límite. Lofstrom cree que esta inestabilidad también se puede controlar en tiempo real mediante servomecanismos, aunque esto nunca se ha intentado.

En los trabajos de Alexander Bolonkin se sugiere que el proyecto de Lofstrom tiene muchos problemas sin resolver y que está muy lejos de ser una tecnología actual. ^{[7] [8] [9]} Por ejemplo, el proyecto de Lofstrom tiene juntas de expansión entre placas de hierro de 1,5 metros. Sus velocidades (bajo gravedad, fricción) pueden ser diferentes y Bolonkin afirma que podrían encajarse en el tubo; ^{[ cita requerida ]} y la fuerza y ​​la fricción en las secciones de giro de 28 km de diámetro en el suelo son gigantescas. En 2008, ^[10] Bolonkin propuso un simple cable de bucle cerrado rotado para lanzar el aparato espacial de una manera adecuada para la tecnología actual.

Otro proyecto, el cable espacial, es un diseño más pequeño de John Knapman que está destinado a ayudar al lanzamiento de cohetes convencionales y al turismo suborbital. El diseño del cable espacial utiliza pernos discretos en lugar de un rotor continuo, como en la arquitectura de bucle de lanzamiento. Knapman también ha demostrado matemáticamente que la inestabilidad del meandro se puede controlar. ^{[11] [12]}

El gancho celestial es otro concepto de sistema de lanzamiento. El gancho celestial puede ser giratorio o no giratorio. El gancho celestial no giratorio cuelga desde una órbita baja terrestre hasta justo por encima de la atmósfera terrestre (el cable del gancho celestial no está unido a la Tierra). ^[13] El gancho celestial giratorio cambia este diseño para disminuir la velocidad del extremo inferior; todo el cable gira alrededor de su centro de gravedad. La ventaja de esto es una reducción aún mayor de la velocidad para el vehículo de lanzamiento que vuela hacia el extremo inferior del gancho celestial giratorio, lo que permite una carga útil aún mayor y un menor costo de lanzamiento. Las dos desventajas de esto son: el tiempo disponible muy reducido para que el vehículo de lanzamiento que llega se enganche en el extremo inferior del gancho celestial giratorio (aproximadamente de 3 a 5 segundos) y la falta de elección con respecto a la órbita de destino.

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• www.launchloop.com
• SpaceCable Otra idea similar para asistencia de lanzamiento/viajes de corto alcance/viajes recreativos a altitudes extremadamente elevadas
• Ascensor espacial, etapa 1: a través de la estratosfera, John Knapman, Keith Lofstrom, presentación en el centro de conferencias de Microsoft, agosto de 2011.