¿Cuál es la posibilidad de un lanzamiento orbital asistido por un cañón de riel?

Question

Datos básicos: El la mina más profunda del mundo tiene 2,4 millas de profundidad. Railguns puede alcanzar una velocidad de salida de un proyectil del orden de 7,5 km/s. La Tierra velocidad de escape es de 11,2 km/s.

Me parece que un dispositivo de lanzamiento del tipo railgun construido en un pozo profundo, como una mina abandonada, podría lanzar razonablemente un vehículo al espacio. No he hecho los cálculos y no dudo de que podría haber problemas con las altas G que limitan el potencial de los astronautas en un vehículo de este tipo, pero aún así parece que sería más barato construir un dispositivo de lanzamiento de este tipo y colocar una planta de energía cerca para hacerlo funcionar que construir y alimentar cohetes de un solo uso.

Entonces, ¿cuál es la posibilidad de un lanzamiento orbital asistido por railgun?

¿Qué me falta aquí? ¿Por qué no se ha prestado más atención a este concepto?

Answer 1

Ok David me pidió que trajera la lluvia. Allá vamos.

En efecto, es muy factible y muy eficaz utilizar un acelerador electromagnético para poner algo en órbita, pero primero veamos nuestra alternativa:

• Ascensor espacial No tenemos la tecnología

• Cohetes : Se gasta la mayor parte de la energía en transportar el combustible, y la maquinaria es complicada, peligrosa y no se puede reutilizar (ningún vehículo de lanzamiento orbital ha sido 100% reutilizable. El SpaceShipOne es suborbital, más sobre la distinción en un momento). Mira el SLS que la NASA está desarrollando, las especificaciones no son mucho mejores que el Saturno V y eso fue hace 50 años. La razón es que el combustible de los cohetes es exactamente el mismo - sólo hay una cantidad de energía que se puede exprimir de estas reacciones. Si hay un avance en el combustible para cohetes, es una cosa, pero como no ha habido ninguno y no hay ninguno en el horizonte, los cohetes como vehículo de lanzamiento orbital son tecnologías sin salida a las que hemos llegado.

• Cañones : La aceleración por una onda de presión está limitada a la velocidad del sonido en el medio, por lo que no se puede utilizar cualquier explosivo ya que estará limitado por esto (la pólvora está alrededor de $2\text{ km/s}$ Por eso los cañones de los acorazados no han aumentado su alcance en los últimos 100 años). Utilizando un medio diferente se puede alcanzar una velocidad de hasta 11km/s utilizando hidrógeno. Este es el régimen de los "cañones de gas ligero" y un empresa quiere usar esto para poner cosas en órbita. Esto requiere altas aceleraciones ( algo ridículo como miles de $\mathrm{m/s^2}$ ), lo que le limita a una electrónica muy endurecida y al suministro de materiales como el combustible y el agua.

• Maglev : Otra empresa está planeando esto ( http://www.startram.com/ ) pero si miras su propuesta requiere bucles superconductores que funcionen algo así como 200MA generando un campo magnético que destruirá todas las comunicaciones en varios estados, me parece improbable que esto se construya.

• Acelerador electromagnético (railgun) : ¡Esto va a ser increíble! No hay ningún requisito en cuanto a aceleraciones altas (un cañón de riel puede funcionar con aceleraciones más bajas) y no hay límite en cuanto a la velocidad máxima. Ver los siguientes documentos:

  • Sistema de lanzamiento de bajo coste y depósito de combustible orbital

  • Lanzamiento al espacio con un cañón de riel electromagnético

  Algunas distinciones rápidas, hay lanzamiento suborbital y orbital. Los suborbitales pueden alcanzar altitudes bastante grandes que se adentran en el espacio, los cohetes de sondeo pueden llegar a 400 millas y el espacio comienza a 60 millas. La diferencia estriba en si se tiene suficiente velocidad tangencial para alcanzar la órbita. Para $1\text{ kg}$ en $200\text{ km}$ de la tierra la energía para elevarla a esa altura es $0.5 m g h = 1\text{ MJ}$ pero la velocidad tangencial necesaria para mantenerse en órbita es $m v^2 / r = G m M / r^2$ que produce un $KE = 0.5 m v^2 = 0.5 G m M / r = 30\text{ MJ}$ así que necesitas mucha más energía cinética tangencialmente. Para hacer algo útil necesitas ser orbital, así que no quieres apuntar tu arma hacia arriba, la quieres en un ángulo suave subiendo una montaña o algo así.

  En todos los documentos que he citado, el cañón de riel sube por una montaña y tiene una longitud de un kilómetro y medio y lanza agua y carga. Eso es porque para lograr el $6\text{ km/s}+$ que necesitas para la velocidad orbital tienes que acelerar el objeto desde un punto muerto a lo largo de tu pista. Cuanto más corta sea la pista, mayor será la aceleración. Necesitarás unos 160 kilómetros de pista para que las aceleraciones estén dentro de las tolerancias de supervivencia que tiene la NASA.

  ¿Por qué quieres hacer esto? Sólo tienes que mantener los sistemas de energía y los raíles, que están en el suelo para que puedas tener tripulaciones en él todo el tiempo. Todo el conjunto es reutilizable, y se puede reutilizar muchas veces al día. También puede tener un tamaño estándar del objeto que lanza y abre un mercado masivo de productores de naves espaciales, las pequeñas empresas que no pueden pagar 20 millones por un lanzamiento ahora pueden permitirse los 500.000 por un lanzamiento. Los costes eléctricos de un lanzamiento de un cañón de riel bajan a unos 3\$/kg, lo que significa que todo el dinero del lanzamiento se destina a los costes de mantenimiento y de capital y una vez que el cañón está pagado los precios pueden bajar drásticamente. Es la única forma en que la humanidad tiene la tecnología para poder lanzar grandes cantidades de objetos y al final todo es cuestión de masa lanzada.

  Nadie se ha planteado tener un cañón de riel de varios kilómetros de largo porque suena a locura de entrada, así que la mayoría de las propuestas son de cañones de riel pequeños de alta aceleración, como en los documentos anteriores. El problema es que esto limita lo que se puede lanzar y en cuanto se hace eso nadie está muy interesado. ¿Por qué es una locura un railgun largo? En realidad no lo es, las materias primas (raíles de aluminio, tubo de hormigón, volantes y bombas de vacío) son todas conocidas y baratas. Si pudieron hacer un ferrocarril de hierro de 2.000 millas en el siglo XIX, ¿por qué no podemos hacer 150 millas de aluminio en la década de 2000? La cuestión es de dinero y fuerza de voluntad, alguien tiene que demostrar que esto funcionará y no sólo escribir documentos sobre esto, sino salir y hacerlo si alguna vez tenemos una esperanza de salir de esta roca como una especie y no sólo como los 600 o más que ya han ido. Además, las grandes empresas y las agencias espaciales no van a arriesgar miles de millones en un nuevo proyecto mientras exista una tecnología perfeccionada y probada durante los últimos 80 años que podrían utilizar. Hay muchos retos de ingeniería, en algunos de los cuales yo y otros hemos estado trabajando en nuestro tiempo libre y los hemos resuelto, otros siguen siendo problemas abiertos. Yo y varios otros científicos que están terminando/han terminado recientemente sus doctorados planeamos seguir este curso ( jeff ross y josh en solcorporation.com , el sitio web no está todavía porque terminé mi doctorado hace 5 días pero está en camino).

CONCLUSIONES

Sí es posible, la tecnología está aquí, es económica y factible lanzar cualquier cosa, desde carga hasta personas. No ha recibido mucha atención porque todos los grandes utilizan ya cohetes, y nadie ha propuesto un cañón de riel que pueda lanzar algo más que carga. Pero ha llamado la atención de algunos jóvenes científicos que van a apuntar a esto, así que siéntese y compruebe las noticias dentro de unos años.

Answer 2

Hay una buena investigación sobre los cañones de riel en la Universidad de Texas en Austin, dirigida por Ian McNab. Véase, por ejemplo, I.R. McNab. "Progress on Hypervelocity Railgun Research for Launch to Space". IEEE Trans. Mag. 45: 381-388, 2009. Hay una lista de sus publicaciones que describen el trabajo de su equipo. La financiación procede del Ejército de Estados Unidos, ya que hay aplicaciones en la artillería de largo alcance. Todavía hay problemas de investigación, como la tendencia a la vaporización de los raíles y el problema del sobrecalentamiento de la carga útil en el aire a velocidades tan colosales.