Un driver di massa è un metodo proposto per la propulsione senza fusibili , che utilizza un motore lineare per accelerare i carichi ad alta velocità .
Tutte le catapulte esistenti o progettate utilizzano bobine di filo elettrico per creare elettromagneti . L'attivazione sequenziale di una serie di elettromagneti accelera la carica, trasportata da un veicolo magnetico, lungo un binario. Dopo aver lasciato il veicolo, il carico continua il suo slancio per inerzia e il veicolo viene recuperato.
Un'altra variante utilizza una piccola catapulta a bordo di un'astronave per proiettare la materia, e quindi modificare la velocità per reazione .
Si possono anche immaginare catapulte miniaturizzate utilizzabili come armi da fuoco convenzionali.
La prima catapulta elettromagnetica apparsa in documenti scritti fu chiamata "il cannone elettrico". È stato descritto in dettaglio in un romanzo di fantascienza del 1897, A Trip to Venus , di John Munro, ed. Jorrold & Sons, Londra. Si presentava come un modo per lanciare veicoli nello spazio da terra.
John Munro è anche l'autore di The Wire and the Wave , The Story of Electricity , ecc.
Nel libro, John Munro descrive in dettaglio bobine elettriche alimentate da solenoidi, con una tempistica calcolata per evitare che i passeggeri subiscano un'accelerazione eccessiva. La canna verrebbe inclinata se necessario installandola sul fianco di una collina. Questo libro descrive anche nel dettaglio alcune cose sorprendenti: sistemi per aumentare la velocità e cambiare direzione da razzi, getti di gas compresso e persino proiettili che vengono sparati dalla capsula, nonché un sistema di aerofrenatura per l'arrivo in atmosfera e paracadute atterraggio.
I prototipi di catapulte elettroniche esistono dal 1976 ( Catapulta elettromagnetica 1 (en) al MIT ). La maggior parte sono stati costruiti dall'American Space Studies Institute per dimostrare le loro proprietà e praticità. Un tale sistema potrebbe essere utilizzato in particolare per azionare un veicolo spaziale .
Le vere catapulte elettromagnetiche generalmente impiegano bobine superconduttrici che forniscono una buona efficienza energetica (circa il 50% dell'energia elettrica iniziale viene trasformata in energia cinetica della carica proiettata).
La prestazione più nota si ottiene con una catapulta a proiettili il cui veicolo è una bobina di alluminio . Le bobine fisse della catapulta inducono correnti parassite ( paramagnetismo ) nella bobina del veicolo, quindi agiscono sul campo magnetico risultante, spingendo con forza il proiettile, in avanti se la sincronizzazione è buona.
La catapulta è composta da due sezioni:
Nei prototipi il veicolo viene rallentato, recuperato e riutilizzato. L'uso di veicoli usa e getta permetterebbe di utilizzare l'intera lunghezza della pista per l'accelerazione.
Attualmente le catapulte elettromagnetiche funzionano generalmente bene solo su oggetti piccoli, spinti a pochi chilometri al secondo; ad esempio 1 kg a 2,5 km/s . Gli oggetti più pesanti verranno lanciati più lentamente, mentre gli oggetti molto piccoli possono essere lanciati a oltre 20 km/s .
Immagazzinando l'energia in bobine superconduttrici, si potrebbe immaginare di accelerare un proiettile di 20 kg a 10,5 km/s con un'efficienza di conversione dell'80% e un'accelerazione di 5600 g . I limiti di queste catapulte sono generalmente il costo dei circuiti a commutazione rapida della corrente (grandi circuiti integrati) e quello dell'alimentazione e dello stoccaggio temporaneo dell'energia elettrica. È quindi improbabile che l'uso di catapulte elettromagnetiche per spingere in orbita veicoli di una tonnellata o più dalla Terra sia redditizio nel prossimo futuro.
La difficoltà nasce principalmente dalla forte gravità e dallo spessore dell'atmosfera terrestre. Inoltre, sono state avanzate proposte per installare catapulte elettromagnetiche sulla Luna dove la gravità inferiore e l'assenza di atmosfera ridurrebbero notevolmente i costi.
Con questo sistema, si potrebbero immaginare catapulte elettromagnetiche per trasportare materiale, dalla Luna , per l'habitat nello spazio , utilizzando l'energia solare . Lo Space Studies Institute ha dimostrato che questa app potrebbe funzionare.
A differenza delle installazioni spaziali, una catapulta sulla Terra può percorrere centinaia di km e raggiungere velocità interessanti senza infliggere un'accelerazione eccessiva ai passeggeri. Il binario può essere lungo e orizzontale, puntando verso l'alto alla fine, in parte mediante una curvatura effettiva del binario, e in parte sfruttando la curvatura della Terra.
Le morfologie naturali, come le montagne, possono facilitare la costruzione dell'estremità opposta, rivolta verso l'alto. Più in alto finisce il binario, meno il proiettile sarà soggetto alla resistenza dell'atmosfera. Essendo situata vicino alla superficie della Terra, una catapulta può essere più facile da mantenere rispetto ad altri sistemi. Tuttavia, va notato l'interesse di alloggiarlo all'interno di un tubo a vuoto per ridurre la resistenza aerodinamica. Ciò implica un'installazione di pompaggio sostanziale.
Vengono inoltre descritti i progetti di strade circolari, che consentirebbero di ridurre l'infrastruttura e la potenza media consumata, accelerando meno forte ma più a lungo.
Per costruire una catapulta elettromagnetica sulla Terra si potrebbe considerare un compromesso: la catapulta accelererebbe il proiettile fino ad una certa velocità, poi rilascerebbe la carica, che completerebbe la spinta con i propri mezzi (es. razzi). Ciò ridurrebbe notevolmente la spinta necessaria per un lancio e consentirebbe di sfruttare i progressi tecnologici nei componenti dei treni a levitazione magnetica .
Una navicella spaziale potrebbe utilizzare una catapulta elettromagnetica come motore principale. Con una fonte adeguata di elettrica corrente (ad esempio un reattore nucleare ), la catapulta potrebbe accelerare qualsiasi tipo di materia (o quasi) in una certa direzione, il che accelera, secondo al di Newton leggi della reazione , la nave. Nella direzione opposta.
Non sembra esserci alcun limite teorico alle dimensioni o alla potenza delle catapulte, e quindi alla velocità raggiungibile. Tuttavia, l'efficienza energetica diminuisce a velocità di espulsione molto elevate. Per le catapulte fisse, l'efficienza è l'energia comunicata al proiettile, correlata all'energia consumata, e può raggiungere il 50%. Per le catapulte di bordo, è l'energia comunicata al veicolo spaziale, rispetto all'energia consumata.
L'energia consumata per espellere una "massa di appoggio" m ad una velocità v è mv² /2, mentre l'impulso di rinculo, che dà la spinta, è q = mv . Per una data spinta q , l'energia consumata è quindi qv / 2, ma la massa consumata è q / v . Bisogna quindi fare un compromesso per scegliere v in base al “costo” dell'energia e quello della massa.
Nonostante questa difficoltà, un sistema del genere potrebbe rivelarsi molto utile nel contesto dei viaggi nello spazio profondo, ad esempio interstellare . Può infatti utilizzare come massa di appoggio quasi qualsiasi materiale rinvenuto lungo il percorso, e libererebbe quindi le navi dall'obbligo di portare con sé grandi quantità di materiale per questo uso. Tuttavia, la scarsità di materia solida nello spazio obbligherebbe comunque la nave a fare soste su pianeti , comete o asteroidi , con la spesa aggiuntiva in materia, necessaria per atterrare sulla stella in questione e lasciarla.
Esiste un altro problema: questa massa di supporto, spinta a velocità estremamente elevate, e dotata di una notevole energia cinetica, potrebbe essere molto pericolosa in caso di collisione con un pianeta o un veicolo. Per evitare questo problema è previsto l'utilizzo di polveri finissime, nonché la propulsione delle masse di sostegno ad una velocità residua sufficiente - maggiore di 42 km/s - in modo che lascino rapidamente il sistema solare e non rimangano a lungo pericolo per le attività umane.
Un altro possibile utilizzo di questo sistema per la propulsione è l'utilizzo di una catapulta elettromagnetica montata su un veicolo spaziale che riceverebbe e restituirebbe in direzione opposta materia che gli sarebbe inviata da una seconda catapulta rimasta al punto di partenza della nave.
Con la massa di reazione che oscilla costantemente avanti e indietro, ogni accelerazione e decelerazione aumenterebbe l'energia cinetica e la velocità della nave. In questo modo il veicolo dovrebbe portare con sé solo pochissima massa di supporto e il sistema richiederebbe anche solo una ridotta quantità di energia elettrica. D'altra parte, la catapulta di avviamento potrebbe anche essere utilizzata per fornire carburante alla nave per i suoi vari motori e propulsori. Nonostante alcune difficoltà di realizzazione, in particolare di precisione di vista, questo sistema è dunque piuttosto promettente sulla carta.
Questo sistema di andata e ritorno è simile al concetto di fontana spaziale , che rende possibile, secondo lo stesso principio dello scambio di proiettili, sostenere una torre alta diverse centinaia di chilometri.
L' esercito sta studiando motori lineari ad alta accelerazione. Questi potrebbero essere usati per spingere munizioni ad altissima velocità, in grado di perforare l' armatura . Poiché queste armi sono piuttosto semplici nel design e richiedono solo una relativamente piccola quantità di energia , che potevano raggiungere dimensioni molto grandi e possono essere usate, per esempio, a sparare direttamente a bersagli in spazio o bombardano la superficie di un aereo. Pianeta da orbita . È anche possibile considerare scatti "oltre l'orizzonte" (inquadrature indirette) o da un pianeta vicino, come una luna .
È anche possibile spingere gli aerei dalle portaerei utilizzando la tecnologia EMALS .