La propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria es una variación de la propulsión de pulso nuclear basada en la inyección de antimateria en una masa de combustible nuclear, que normalmente no sería útil en la propulsión. Los anti-protones utilizados para iniciar la reacción se consumen, por lo que es un nombre inapropiado referirse a ellos como un catalizador .
Descripción
La propulsión nuclear tradicional por pulsos tiene la desventaja de que el tamaño mínimo del motor se define por el tamaño mínimo de las bombas nucleares utilizadas para crear el empuje. El diseño de una bomba termonuclear nuclear convencional consta de dos partes: la primaria , que casi siempre se basa en plutonio , y una secundaria que utiliza combustible de fusión, normalmente deuteruro de litio . Hay un tamaño mínimo para el primario, alrededor de 25 kilogramos, que produce una pequeña explosión nuclear de aproximadamente 1/100 kilotones (10 toneladas, 42 GJ; W54 ). Los dispositivos más potentes aumentan de tamaño principalmente mediante la adición de combustible de fusión. De los dos, el combustible de fusión es mucho menos costoso y emite muchos menos productos radiactivos, por lo que desde el punto de vista del costo y la eficiencia, las bombas más grandes son mucho más eficientes. Sin embargo, el uso de bombas tan grandes para la propulsión de naves espaciales exige estructuras mucho más grandes capaces de soportar el estrés. Existe una compensación entre las dos demandas.
Al inyectar una pequeña cantidad de antimateria en una masa subcrítica de combustible (típicamente plutonio o uranio ) se puede forzar la fisión del combustible. Un anti-protón tiene una carga eléctrica negativa , al igual que un electrón , y puede ser capturado de manera similar por un núcleo atómico cargado positivamente . Sin embargo, la configuración inicial no es estable e irradia energía en forma de rayos gamma . Como consecuencia, el anti-protón se acerca cada vez más al núcleo hasta que finalmente se tocan, momento en el que el anti-protón y un protón son aniquilados. Esta reacción libera una enorme cantidad de energía, de la cual, parte se libera como rayos gamma y parte se transfiere como energía cinética al núcleo, lo que hace que explote. La lluvia de neutrones resultante puede hacer que el combustible circundante sufra una fisión rápida o incluso una fusión nuclear .
El límite inferior del tamaño del dispositivo está determinado por problemas de manipulación de anti-protones y requisitos de reacción de fisión; como tal, a diferencia del sistema de propulsión tipo Proyecto Orión , que requiere un gran número de cargas explosivas nucleares, o de los diversos impulsores antimateria, que requieren cantidades imposiblemente caras de antimateria, la propulsión de pulsos nucleares catalizada por antimateria tiene ventajas intrínsecas. [1]
Un diseño conceptual de un paquete de física de explosivos termonucleares catalizados por antimateria es uno en el que la masa primaria de plutonio, generalmente necesaria para la ignición en una explosión termonuclear Teller-Ulam convencional , se reemplaza por un microgramo de antihidrógeno. En este diseño teórico, la antimateria se enfría con helio y levita magnéticamente en el centro del dispositivo, en forma de una pastilla de una décima de milímetro de diámetro, una posición análoga al núcleo de fisión primario en la torta de capas / diseño Sloika [2] [3] ). Como la antimateria debe permanecer alejada de la materia ordinaria hasta el momento deseado de la explosión, la pastilla central debe aislarse de la esfera hueca circundante de 100 gramos de combustible termonuclear. Durante y después de la compresión implosiva por las lentes de alto explosivo , el combustible de fusión entra en contacto con el antihidrógeno. Las reacciones de aniquilación, que comenzarían poco después de que se destruyera la trampa de Penning , proporcionarían la energía para comenzar la fusión nuclear en el combustible termonuclear. Si el grado de compresión elegido es alto, se obtiene un dispositivo con mayores efectos explosivos / propulsores, y si es bajo, es decir, el combustible no está a alta densidad, una cantidad considerable de neutrones escapará del dispositivo, y un neutrón formas de bomba . En ambos casos, el efecto de pulso electromagnético y la lluvia radiactiva son sustancialmente menores que los de un dispositivo de fisión convencional o Teller-Ulam del mismo rendimiento, aproximadamente 1 kt. [4]
Cantidad necesaria para dispositivo termonuclear
El número de antiprotones necesarios para desencadenar una explosión termonuclear se calculó en 2005 en 10 18 , lo que significa microgramos de antihidrógeno. [5]
También es posible ajustar el rendimiento de un vehículo espacial. La eficiencia del cohete está fuertemente relacionada con la masa de la masa de trabajo utilizada, que en este caso es el combustible nuclear. La energía liberada por una masa determinada de combustible de fusión es varias veces mayor que la liberada por la misma masa de combustible de fisión. Para misiones que requieran periodos cortos de alto empuje, como misiones interplanetarias tripuladas, podría preferirse la microfisión pura porque reduce la cantidad de elementos combustibles necesarios. Para misiones con períodos más largos de mayor eficiencia pero con menor empuje, como las sondas del planeta exterior, se podría preferir una combinación de microfisión y fusión porque reduciría la masa total de combustible.
Investigar
El concepto fue inventado en la Universidad Estatal de Pensilvania antes de 1992. Desde entonces, varios grupos han estudiado motores de microfisión / fusión catalizados por antimateria en el laboratorio (a veces antiprotón en lugar de antimateria o antihidrógeno ). [6]
En el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se ha trabajado en la fusión iniciada por antiprotones ya en 2004. [7] En contraste con la gran masa, complejidad y poder de recirculación de los impulsores convencionales para la fusión por confinamiento inercial (ICF), la aniquilación de antiprotones ofrece una energía específica de 90 MJ / µg y, por lo tanto, una forma única de envasado y entrega de energía. En principio, los controladores de antiprotones podrían proporcionar una reducción profunda en la masa del sistema para la propulsión espacial avanzada por ICF.
La ICF impulsada por antiprotones es un concepto especulativo, y el manejo de los antiprotones y su precisión de inyección requerida, temporal y espacialmente, presentará importantes desafíos técnicos. El almacenamiento y manipulación de antiprotones de baja energía, particularmente en forma de antihidrógeno , es una ciencia en su infancia, y se requeriría un gran aumento de la producción de antiprotones sobre los métodos de suministro actuales para embarcarse en un programa serio de I + D para tales aplicaciones. .
El récord actual (2011) de almacenamiento de antimateria es de poco más de 1000 segundos, realizado en las instalaciones del CERN , un salto monumental desde las escalas de tiempo de milisegundos que antes se podían lograr. [8]
Ver también
- ICAN-II
- AIMStar
- Cohete de antimateria
- Arma de antimateria
- Propulsión de pulso nuclear
Referencias
- ^ Kircher. "Antimateria: Fisión / Fusion Drive" . Consultado el 8 de octubre de 2012 .
- ^ David Olson, Pat Lee. "Fusión nuclear. Explicación química" . Página 11.
- ^ "Tipos de armas nucleares" . El Archivo de Armas Nucleares . 1.5.3 El diseño del reloj despertador / Sloika (pastel de capas).
- ^ Andre Gsponer, Jean-Pierre Hurni. "Armas de antimateria" . Centre Universitaire d'Informatique . Université de Genève. Figura 2: Bomba de hidrogne activada por antimateria.
- ^ Gsponer, Andre; Hurni, Jean-Pierre (2005). "Fusión inducida por antimateria y explosiones termonucleares". arXiv : física / 0507125 .
- ^ "Sistemas de propulsión por fusión / microfisión catalizados por antiprotones para la exploración del sistema solar exterior y más allá" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 24 de agosto de 2012 . Consultado el 8 de octubre de 2012 .
- ^ Perkins; Orth; Tabak (2004). "Sobre la utilidad de los antiprotones como impulsores de la fusión por confinamiento inercial" (PDF) . Fusión nuclear . 44 (10): 1097. Código Bibliográfico : 2004NucFu..44.1097P . doi : 10.1088 / 0029-5515 / 44/10/004 . Consultado el 1 de agosto de 2018 .
- ^ Colaboración Alfa; Andresen, GB; Ashkezari, MD; Baquero-Ruiz, M .; Bertsche, W .; Bowe, PD; Butler, E .; Cesar, CL; Charlton, M .; Deller, A .; Eriksson, S .; Fajans, J .; Friesen, T .; Fujiwara, MC; Gill, DR; Gutiérrez, A .; Hangst, JS; Hardy, WN; Hayano, RS; Hayden, YO; Humphries, AJ; Hydomako, R .; Jonsell, S .; Kemp, SL; Kurchaninov, L .; Madsen, N .; Menary, S .; Nolan, P .; Olchanski, K .; et al. (2011). "Confinamiento de antihidrógeno durante 1.000 segundos". Física de la naturaleza . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Código Bibliográfico : 2011NatPh ... 7..558A . doi : 10.1038 / nphys2025 .
enlaces externos
- Página discutiendo la posibilidad de usar antimateria como desencadenante de una explosión termonuclear
- Documento sobre el número de antiprotones necesarios para encender un arma termonuclear.