Tranvía estelar

StarTram es un sistema de lanzamiento espacial propuesto propulsado por tecnología de levitación magnética . La instalación inicial de Generación 1 está propuesta para lanzar carga únicamente desde la cima de una montaña a una altitud de 3 a 7 kilómetros (9.800 a 23.000 pies) utilizando un tubo de vacío que permanece al nivel de la superficie local. La elevación orbital anual se estimó en aproximadamente 150.000 toneladas. Se requiere tecnología más avanzada para un sistema de Generación 2 para pasajeros, con una pista más larga en su lugar que se curva gradualmente hacia arriba en su extremo hacia el aire más fino a 22 kilómetros (72.000 pies) de altitud, apoyada por levitación magnética , reduciendo las fuerzas g cuando cada cápsula pasa del tubo de vacío a la atmósfera . Una presentación de SPESIF 2010 afirmó que la Generación 1 podría completarse para el año 2020 o más tarde si la financiación comenzó en 2010, y la Generación 2 para 2030 o más tarde. ^[1]

James R. Powell inventó el concepto de tren de levitación magnética superconductor en la década de 1960 con un colega, Gordon Danby , también en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , que posteriormente se desarrolló en los trenes de levitación magnética modernos . ^[1] Más tarde, Powell cofundó StarTram, Inc. con el Dr. George Maise, un ingeniero aeroespacial que anteriormente estuvo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven de 1974 a 1997 con especial experiencia que incluía calefacción de reentrada y diseño de vehículos hipersónicos . ^[2]

Un diseño de StarTram fue publicado por primera vez en un artículo de 2001 ^[3] y una patente, ^[4] haciendo referencia a un artículo de 1994 sobre MagLifter. Desarrollado por John C. Mankins , quien era gerente de Estudios de Conceptos Avanzados en la NASA, ^[5] el concepto MagLifter involucraba asistencia de lanzamiento de levitación magnética para unos pocos cientos de m/s con un recorrido corto, 90% de eficiencia proyectada. ^[6] Notando que StarTram es esencialmente MagLifter llevado a un extremo mucho mayor, tanto MagLifter como StarTram fueron discutidos el año siguiente en un estudio de concepto realizado por ZHA para el Centro Espacial Kennedy de la NASA , también considerado en conjunto por Maglev 2000 con Powell y Danby . ^{[7] [8] [9]}

El diseño posterior modifica StarTram en una versión de generación 1, una versión de generación 2 y una variante alternativa de generación 1.5. ^[1]

John Rather, quien se desempeñó como director adjunto de Tecnología Espacial (Desarrollo de Programas) en la NASA , ^[10] dijo:

Es un hecho poco conocido que a mediados de los años 90 la sede de la NASA, el Centro Marshall de Vuelos Espaciales y algunos innovadores privados clave hicieron un esfuerzo para cambiar los paradigmas básicos del acceso y desarrollo del espacio. En general, estos esfuerzos implicaron métodos de lanzamiento electromagnéticos y nuevos enfoques para sistemas eléctricos de alta potencia en el espacio. ...

StarTram fue concebido desde los primeros principios para reducir el costo y mejorar la eficiencia del acceso al espacio en un factor de más de cien. ...

La viabilidad y el costo generales del enfoque StarTram fueron validados en 2005 por un estudio exhaustivo de " comité de asesinatos " realizado en el Laboratorio Nacional de Sandia.

—  Doctor Rather ^[11]

El sistema Gen-1 propone acelerar naves no tripuladas a 30 g a través de un túnel de 130 kilómetros (81 millas) de largo, con una ventana de plasma que evita la pérdida de vacío cuando el obturador mecánico de la salida se abre brevemente, evacuado de aire con una bomba MHD . (La ventana de plasma es más grande que las construcciones anteriores, con un consumo de energía estimado de 2,5 MW para un diámetro de 3 metros (9,8 pies)). ^[12] En el diseño de referencia, la salida está en la superficie de un pico de montaña de 6.000 metros (20.000 pies) de altitud, donde una velocidad de lanzamiento de 8,78 kilómetros por segundo (5,46 mi/s) en un ángulo de 10 grados lleva las cápsulas de carga a la órbita baja de la Tierra cuando se combina con una pequeña quema de cohetes que proporciona 0,63 kilómetros por segundo (0,39 mi/s) para la circularización de la órbita. Con una bonificación por la rotación de la Tierra si se dispara hacia el este, la velocidad adicional, mucho más allá de la velocidad orbital nominal , compensa las pérdidas durante el ascenso, incluidos 0,8 kilómetros por segundo (0,50 mi/s) por la resistencia atmosférica . ^{[1] [13]}

Un carguero de 40 toneladas, de 2 metros de diámetro y 13 metros de longitud, experimentaría brevemente los efectos del paso atmosférico. Con un coeficiente de resistencia aerodinámica efectivo de 0,09, la desaceleración máxima del proyectil alargado lanzado desde la montaña es momentáneamente de 20 g, pero se reduce a la mitad en los primeros 4 segundos y continúa disminuyendo a medida que pasa rápidamente por encima de la mayor parte de la atmósfera restante.

En los primeros momentos tras salir del tubo de lanzamiento, la tasa de calentamiento con una forma óptima de la nariz es de alrededor de 30 kW/cm2 ^en el punto de estancamiento , aunque mucho menos en la mayor parte de la nariz, pero cae por debajo de los 10 kW/cm2 ^en unos pocos segundos. ^[1] Se prevé un enfriamiento por agua de transpiración, que consume brevemente hasta ≈ 100 litros/m2 ^de agua por segundo. Se calcula que es suficiente con un porcentaje de la masa del proyectil en agua. ^[1]

El tubo del túnel para Gen-1 no tiene superconductores, no requiere refrigeración criogénica y ninguno de sus elementos se encuentra a una altura superior a la de la superficie del terreno local. A excepción del probable uso de SMES como método de almacenamiento de energía eléctrica, los imanes superconductores solo se encuentran en la nave espacial en movimiento, induciendo corriente en bucles de aluminio relativamente económicos en las paredes del túnel de aceleración, lo que hace levitar la nave con una distancia de 10 centímetros, mientras que, mientras tanto, un segundo conjunto de bucles de aluminio en las paredes transporta una corriente alterna que acelera la nave: un motor síncrono lineal . ^[1]

Powell predice un gasto total, principalmente costos de hardware, de $43 por kilogramo de carga útil con cargas útiles de 35 toneladas lanzadas más de 10 veces al día, en comparación con los precios de lanzamiento de cohetes de $10,000 a $25,000 por kilogramo a la órbita terrestre baja en ese momento. ^[14] El costo estimado de la energía eléctrica para alcanzar la velocidad de la órbita terrestre baja es de menos de $1 por kilogramo de carga útil: 6 centavos por kilovatio-hora de costo de electricidad industrial contemporánea, 8,78 kilómetros por segundo (5,46 mi/s) de energía cinética de lanzamiento de 38,5 MJ por kilogramo y 87,5% de la carga útil de masa, acelerada a alta eficiencia por este motor eléctrico lineal . ^{[1] [15]}

Se supone que la variante Gen-2 del StarTram está destinada a cápsulas tripuladas reutilizables, destinadas a tener una fuerza g baja , una aceleración de 2 a 3 g en el tubo de lanzamiento y una salida elevada a una altitud tan alta (22 kilómetros (14 mi)) que la desaceleración aerodinámica máxima llega a ser ≈ 1 g. ^[1] Aunque los pilotos de prueba de la NASA han manejado varias veces esas fuerzas g , ^[17] la baja aceleración está destinada a permitir la elegibilidad al espectro más amplio del público en general.

Con una aceleración tan relativamente lenta, el sistema Gen-2 requiere de 1.000 a 1.500 kilómetros (620 a 930 millas) de longitud. Se estima que el costo de la mayor parte no elevada de la longitud del tubo es de varias decenas de millones de dólares por kilómetro, un gasto proporcionalmente similar por unidad de longitud a la parte de tunelización del antiguo proyecto Superconducting Super Collider (originalmente planeado para tener 72 kilómetros (45 millas) de túnel de vacío de 5 metros (16 pies) de diámetro excavado por 2 mil millones de dólares) o a algunas líneas de trenes de levitación magnética existentes donde el sistema Maglev 2000 de Powell afirma tener importantes innovaciones adicionales para reducir costos. ^[1] Un área de la Antártida a 3 kilómetros (9.800 pies) sobre el nivel del mar es una opción de ubicación, especialmente porque se considera que la capa de hielo es relativamente fácil de atravesar. ^[18]

Para la parte final elevada, el diseño considera que la levitación magnética es relativamente menos costosa que las alternativas para elevar un tubo de lanzamiento de un impulsor de masa (globos atados, ^[19] megaestructuras de material aeroespacial compresivas o infladas ). ^[20] Una corriente de 280 megaamperios en cables de tierra crea un campo magnético de 30 Gauss de fuerza a 22 kilómetros (72.000 pies) sobre el nivel del mar (algo menos sobre el terreno local dependiendo de la elección del sitio), mientras que los cables en la parte final elevada del tubo llevan 14 megaamperios en la dirección opuesta, generando una fuerza repulsiva de 4 toneladas por metro; se afirma que esto mantendría la estructura de 2 toneladas/metro presionando fuertemente hacia arriba sobre sus ataduras en ángulo, una estructura de tensión a gran escala. ^[3] En el ejemplo del superconductor de niobio-titanio que transporta 2 × 10 ⁵ amperios por cm ² , la plataforma levitada tendría 7 cables, cada uno de 23 cm ² (3,6 pulgadas cuadradas) de sección transversal del conductor al incluir el estabilizador de cobre. ^[4]

Una alternativa, Gen-1.5, lanzaría naves espaciales de pasajeros a 4 kilómetros por segundo (2,5 mi/s) desde la cima de una montaña a unos 6.000 metros sobre el nivel del mar desde un túnel de unos 270 kilómetros (170 mi) de longitud, acelerando a unos 3 g .

Aunque los costes de construcción serían inferiores a los de la versión Gen-2, la Gen-1.5 se diferenciaría de otras variantes del StarTram en que requeriría que la velocidad de 4 km/s se proporcionara por otros medios, como la propulsión por cohetes. Sin embargo, la naturaleza no lineal de la ecuación del cohete sigue haciendo que la fracción de carga útil de un vehículo de este tipo sea significativamente mayor que la de un cohete convencional sin la ayuda de un lanzamiento electromagnético, y un vehículo con márgenes de peso disponibles altos y factores de seguridad debería ser mucho más fácil de producir en masa a bajo coste o de reutilizar con una rápida respuesta que los cohetes actuales de 8 kilómetros por segundo (5,0 mi/s). El Dr. Powell señala que los vehículos de lanzamiento actuales "tienen muchos sistemas complejos que funcionan cerca de su punto de fallo, con una redundancia muy limitada", siendo el rendimiento extremo del hardware en relación con el peso un factor de gasto importante. (El combustible en sí mismo es del orden del 1% de los costes actuales de puesta en órbita ). ^{[21] [22]}

Como alternativa, el Gen-1.5 podría combinarse con otro sistema de lanzamiento espacial que no sea un cohete , como un sistema de anclaje de intercambio de impulso similar al concepto HASTOL , que se pretendía que llevara un vehículo a 4 kilómetros por segundo (2,5 millas por segundo) a la órbita. Debido a que los anclajes están sujetos a una escala altamente exponencial , sería mucho más fácil construir un anclaje de este tipo utilizando las tecnologías actuales que uno que proporcione la velocidad orbital completa por sí solo. ^[23]

La longitud del túnel de lanzamiento en esta propuesta podría reducirse al aceptar fuerzas correspondientemente mayores sobre los pasajeros. Un túnel de ≈ 50 a 80 kilómetros (31 a 50 millas) generaría fuerzas de ≈ 10-15 g , que los pilotos de prueba físicamente aptos han soportado con éxito en pruebas de centrifugación, pero una aceleración más lenta con un túnel más largo aliviaría los requisitos de pasajeros y reduciría el consumo de potencia máxima, lo que a su vez disminuiría los gastos de acondicionamiento de energía. ^{[1] [17] [24]}

Se afirma que el concepto de instalación terrestre del StarTram se puede reutilizar después de cada lanzamiento sin un mantenimiento extenso, ya que esencialmente sería un gran motor eléctrico síncrono lineal . Esto trasladaría la mayor parte del "requisito para alcanzar la órbita a una infraestructura terrestre robusta", destinada a no tener un alto rendimiento en relación con los requisitos de peso ni a los costos de $ 25,000 por kilogramo de peso seco volable del transbordador espacial . ^[8] Los diseñadores estiman un costo de construcción para la Generación 1 de $ 19 mil millones, que se convertirá en $ 67 mil millones para la Generación 2 con capacidad para pasajeros. ^[1]

El diseño alternativo de la Generación 1.5, con una velocidad de lanzamiento de 4 kilómetros por segundo (2,5 mi/s), sería intermedio en términos de velocidad entre los 8,8 kilómetros por segundo (5,5 mi/s) de la Generación 1 y el diseño Maglifter (que tenía un costo estimado de 0,2 mil millones de dólares para una asistencia de lanzamiento de 0,3 kilómetros por segundo (0,19 mi/s) en el caso de un vehículo de 50 toneladas). ^{[1] [25]}

El objetivo de la Generación 2 es de 13.000 dólares por persona. Si se cumple el cálculo, se podrían enviar a la órbita hasta 4 millones de personas por década por cada instalación de la Generación 2. ^[1]

Los investigadores consideran que el mayor desafío para Gen-1 es el almacenamiento suficientemente asequible, la entrega rápida y el manejo de los requisitos de energía. ^[18]

Para el almacenamiento de energía eléctrica necesaria (descargada durante 30 segundos con un promedio de aproximadamente 50 gigavatios y un pico de aproximadamente 100 gigavatios), se anticipa que el desempeño de costos de las PYMES en una escala tan inusual sea de alrededor de un dólar por kilojulio y de 20 dólares por kW-pico. ^[1] Esto sería novedoso en escala, pero no muy diferente del desempeño de costos planificado obtenido en otros sistemas de almacenamiento de energía de potencia pulsada más pequeños (como los supercondensadores modernos de descarga rápida cuyo costo bajó de 151 dólares/kJ a 2,85 dólares/kJ entre 1998 y 2006, mientras que se predice que luego alcanzarán un dólar por kJ, ^[26] baterías de plomo-ácido que pueden costar 10 dólares por kW-pico durante unos segundos, o fuentes de alimentación de compulsador de cañón de riel experimentales). El estudio señala que los generadores MHD pulsados ​​pueden ser una alternativa. ^[1]

En el caso de MagLifter, General Electric estimó entre 1997 y 2000 que se podría fabricar un conjunto de generadores de pulsos de volante hidroeléctrico por un coste equivalente a 5,40 dólares por kJ y 27 dólares por kW-pico. ^[6] En el caso de StarTram, la opción de diseño SMES es un enfoque mejor (menos costoso) que los generadores de pulsos según Powell. ^[1]

El mayor costo de capital previsto para Gen-1 es el acondicionamiento de la energía, desde una descarga inicial de CC hasta la onda de corriente alterna, que maneja durante unos segundos una potencia muy alta, hasta 100 gigavatios, a un costo estimado de 100 dólares por kW pico. ^[1] Sin embargo, en comparación con algunas otras posibles implementaciones de un lanzador de cañón de bobina con requisitos relativamente más altos para dispositivos de conmutación de potencia de pulso (un ejemplo es un diseño de velocidad de escape de 7,8 kilómetros (4,8 millas) de longitud después de que un estudio de la NASA Ames de 1977 determinara cómo sobrevivir al paso atmosférico desde el lanzamiento terrestre), ^[27] que no siempre se basan en semiconductores, ^[28] la longitud de 130 km del tubo de aceleración de Gen-1 distribuye los requisitos de entrada de energía en una duración de aceleración más larga. Esto hace que los requisitos de manejo de potencia de entrada pico no sean más de unos 2 GW por tonelada del vehículo. Se incurre en la compensación de un mayor gasto para el túnel en sí, pero se estima que el túnel cuesta unos 4.400 millones de dólares, incluidos 1.500 dólares por metro cúbico de excavación, una minoría del costo total del sistema. ^[1]

El récord actual de velocidad terrestre de 2,9 km/s se obtuvo con un trineo sobre 5 kilómetros de vías férreas, la mayor parte en un túnel lleno de helio, en un proyecto de 20 millones de dólares. ^[29] La versión Gen-1.5 del StarTram para el lanzamiento de vehículos de lanzamiento de pasajeros a una velocidad de 4 km/s desde la superficie de una montaña alcanzaría una velocidad significativamente mayor con un vehículo mucho más masivo. Sin embargo, aceleraría en un largo túnel de vacío sin arrastre de aire o gas, con levitación que impediría el contacto físico con los rieles a hipervelocidad, y con una financiación prevista tres órdenes de magnitud mayor. Muchos desafíos, incluido el alto costo de capital inicial, se superpondrían con Gen-1, aunque no tuviera el tubo de lanzamiento levitado de Gen-2. ^[1]

El Gen-2 presenta un desafío adicional particular con su tubo de lanzamiento elevado, que hace levitar tanto el vehículo como parte del tubo (a diferencia de Gen-1 y Gen-1.5, que solo hacen levitar el vehículo). A partir de 2010, los sistemas de levitación magnética en funcionamiento hacen levitar el tren aproximadamente 15 milímetros (0,59 pulgadas). ^{[31] [32]} Para la versión Gen-2 del StarTram, es necesario levitar la vía hasta 22 kilómetros (72.000 pies), una distancia mayor por un factor de 1,5 millones.

La fuerza entre dos líneas conductoras está dada por , ( ley de fuerza de Ampère ). Aquí F es la fuerza, la permeabilidad , las corrientes eléctricas , la longitud de las líneas y su distancia. Para ejercer 4.000 kg/m (8.100 lb/yd) sobre una distancia de 20 kilómetros (12 mi) en el aire ( ≈ 1) se necesitan ≈ 280 x 10 ⁶ A en tierra si se levita ≈ 14 x 10 ⁶ A . A modo de comparación, en un rayo la corriente máxima es de unos 10 ⁵ A, cf propiedades del rayo , aunque la disipación de potencia resistiva implicada en una corriente que fluye a través de un conductor es proporcional a la caída de tensión, alta para una descarga de rayo de millones de voltios en el aire pero idealmente cero para un superconductor de resistencia cero .${\displaystyle F=(\mu I_{1}I_{2}l)/(2\pi r)}$${\displaystyle \mu =\mu _{0}\mu _{r}}$${\displaystyle I_{1},I_{2}}$${\estilo de visualización l}$${\estilo de visualización r}$${\displaystyle \mu_{r}}$${\estilo de visualización I_{1}}$${\estilo de visualización I_{2}}$

Aunque el rendimiento del superconductor de niobio-titanio es técnicamente suficiente (una densidad de corriente crítica de 5 x 10 ⁵ A/cm ² en las condiciones de campo magnético relevantes para la plataforma levitada, 40% de eso en la práctica después de un factor de seguridad), ^[4] las incertidumbres en la economía incluyen una suposición mucho más optimista para Gen-2 de $0,2 por kA-metro de superconductor en comparación con los $2 por kA-metro asumidos para Gen-1 (donde Gen-1 no tiene ninguno de sus tubos de lanzamiento levitados pero usa cable superconductor para un gran SMES y dentro de la nave de levitación magnética lanzada). ^[1] NbTi fue la opción de diseño bajo las economías de escala disponibles para refrigeración, ya que actualmente cuesta $1 por kA-metro, mientras que los superconductores de alta temperatura hasta ahora todavía cuestan mucho más para el conductor en sí por kA-metro. ^[33]

Si se considera un diseño con una aceleración de hasta 10 g (que es mayor que la aceleración de reentrada del Apolo 16 ) ^[34] , entonces toda la pista debe tener al menos 326 kilómetros (203 mi) de largo para una versión de pasajeros del sistema Gen-2. Dicha longitud permite el uso de la aproximación de una línea infinita para calcular la fuerza. Lo anterior no tiene en cuenta cómo solo se levita la parte final de la pista, pero un cálculo más complejo solo cambia el resultado de la fuerza por unidad de longitud de la misma en un 10-20% (f _gl = 0,8 a 0,9 en lugar de 1). ^[4]

Los propios investigadores no consideran que haya ninguna duda sobre si la levitación funcionaría en términos de fuerza ejercida (una consecuencia de la ley de fuerza de Ampère), pero consideran que el principal desafío son las complejidades prácticas de ingeniería de la erección del tubo, ^[18] mientras que una parte sustancial del análisis de ingeniería se centró en el manejo de la flexión causada por el viento. ^[4] Se calcula que la estructura activa se doblará una fracción de metro por kilómetro bajo el viento en el aire muy fino a su gran altitud, una ligera curvatura manejada teóricamente por bucles de guía, con una fuerza de levitación neta más allá del peso de la estructura que excede la fuerza del viento en un factor de 200+ para mantener las ataduras tensas, y con la ayuda de ataduras de control controladas por computadora. ^[4]

• Lanzamiento espacial sin cohetes
• Lanzamiento de trineo cohete
• Vactrain
• Estación de plataforma de gran altitud como puerto espacial
• Torre ThothX

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