Direct Fusion Drive ( DFD ) es un motor de cohete de fusión nuclear conceptual de baja radiactividad diseñado para producir tanto empuje como energía eléctrica para naves espaciales interplanetarias. El concepto se basa en el reactor de configuración de campo invertido de Princeton, inventado en 2002 por Samuel A. Cohen, y está siendo modelado y probado experimentalmente en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton , una instalación del Departamento de Energía de EE. UU., Y modelado y evaluado por Princeton Satellite Systems. A partir de 2018, el concepto pasó a la Fase II [se necesita aclaración ] para avanzar más en el diseño.
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Principio
El Direct Fusion Drive (DFD) es un motor de nave espacial propulsado por fusión conceptual, llamado así por su capacidad para producir empuje a partir de la fusión sin pasar por un paso intermedio de generación de electricidad. El DFD utiliza un novedoso sistema de calentamiento y confinamiento magnético, alimentado con una mezcla de helio-3 (He-3) y deuterio (D), para producir una alta potencia específica, empuje variable e impulso específico, y una propulsión de nave espacial de baja radiación. sistema. [1] La fusión ocurre cuando los núcleos atómicos , que comprenden una especie en un plasma caliente (100 keV o 1,120,000,000 K) , una colección de partículas cargadas eléctricamente que incluyen electrones e iones, se unen (o fusionan ) entre sí, liberando enormes cantidades de energía. En el sistema DFD, el plasma está confinado en un campo magnético en forma de toro dentro de una bobina solenoidal lineal y es calentado por un campo magnético giratorio a temperaturas de fusión. [1] Bremsstrahlung y la radiación de sincrotrón emitida por el plasma se capturan y se convierten en electricidad para las comunicaciones, el mantenimiento de la estación de las naves espaciales y el mantenimiento de la temperatura del plasma. [2] Este diseño utiliza una "antena" de radiofrecuencia (RF) de forma especial para calentar el plasma. [3] El diseño también incluye una batería recargable o una unidad de energía auxiliar de deuterio- oxígeno para iniciar o reiniciar el DFD. [1]
La energía radiada capturada se calienta a 1.500 K (1.230 ° C; 2.240 ° F), un fluido He-Xe que fluye fuera del plasma en una estructura que contiene boro. Esa energía se pasa a través de un generador de ciclo Brayton de circuito cerrado para transformarla en electricidad y usarla para energizar las bobinas, encender el calentador de RF, cargar la batería, las comunicaciones y las funciones de mantenimiento de estación. [1]
Generación de empuje
La adición de propulsor al flujo de plasma del borde da como resultado un empuje variable y un impulso específico cuando se canaliza y acelera a través de una boquilla magnética ; este flujo de impulso que pasa por la boquilla es llevado predominantemente por los iones a medida que se expanden a través de la boquilla magnética y más allá y, por lo tanto, funciona como un propulsor de iones . [1]
Desarrollo
La construcción del dispositivo de investigación experimental y la mayoría de sus primeras operaciones fueron financiadas por el Departamento de Energía de EE. UU. Los estudios recientes —Fase I y Fase II— están financiados por el programa del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC). [3] Se publicaron una serie de artículos sobre el concepto entre 2001 y 2008; los primeros resultados experimentales se informaron en 2007. Se publicaron numerosos estudios de misiones de naves espaciales (Fase I), a partir de 2012. En 2017, el equipo informó que "Los estudios de calentamiento de electrones con este método han superado las predicciones teóricas y los experimentos para medir el calentamiento de iones en la máquina de segunda generación están en curso ". [1] A partir de 2018, el concepto pasó a la Fase II para avanzar más en el diseño. [4] [5] La unidad de tamaño completo mediría aproximadamente 2 m de diámetro y 10 m de largo. [6]
Stephanie Thomas es vicepresidenta de Princeton Satellite Systems y la investigadora principal de Direct Fusion Drive. [7]
Rendimiento proyectado
Los análisis predicen que el Direct Fusion Drive produciría entre 5-10 Newtons [1] de empuje por cada MW de energía de fusión generada, [5] con un impulso específico (I sp ) de aproximadamente 10,000 segundos y 200 kW disponibles como energía eléctrica. [4] Aproximadamente el 35% de la energía de fusión se destina al empuje, el 30% a la energía eléctrica, el 25% se pierde por calor y el 10% se recircula para el calentamiento de RF. [1]
El modelado muestra que esta tecnología puede potencialmente impulsar una nave espacial con una masa de aproximadamente 1000 kg (2200 lb) a Plutón en 4 años. [4] Dado que DFD proporciona potencia y propulsión en un dispositivo integrado, también proporcionaría hasta 2 MW de potencia a las cargas útiles al llegar, ampliando las opciones para la selección de instrumentos, comunicaciones láser / ópticas , [1] [4] e incluso transferir hasta 50 kW de potencia desde el orbitador al módulo de aterrizaje a través de un rayo láser que opera a una longitud de onda de 1080 nm. [1]
Los diseñadores creen que esta tecnología puede expandir radicalmente la capacidad científica de las misiones planetarias. [4] Se ha sugerido que esta tecnología dual de potencia / propulsión se utilice en una misión de aterrizaje y orbitador de Plutón , [1] [4] así como la integración en la nave espacial Orion para transportar una misión tripulada a Marte en un tiempo relativamente corto [ 8] [9] (4 meses en lugar de 9 con la tecnología actual). [6]
Ver también
- Asociación de la industria de la fusión
Referencias
- ^ Un b c d e f g h i j k Fusión-Enabled Plutón Orbiter y Lander - I Informe Final Fase . (PDF) Stephanie Thomas, Princeton Satellite Systems. 2017.
- ^ [1] . Yosef S. Razin, Gary Pajer, Mary Breton, Eric Ham, Joseph Mueller, Michael Paluszek, Alan H. Glasser, Samuel A. Cohen. Acta Astronautica . Volumen 105, Número 1, diciembre de 2014, páginas 145-155. doi : 10.1016 / j.actaastro.2014.08.008 .
- ^ a b Cuadro cuádruple de Direct Fusion Drive . Sistemas de satélite de Princeton. Consultado: 18 de julio de 2018.
- ↑ a b c d e f Hall, Loura (5 de abril de 2017). "Orbitador y aterrizador Plutón habilitados para fusión" . NASA . Consultado el 14 de julio de 2018 .
- ^ a b Propulsión de vuelo nuclear y futura: modelando el empuje del Direct Fusion Drive . Stephanie J. Thomas, Michael Paluszek, Samuel A. Cohen, Alexander Glasser. Conferencia Conjunta de Propulsión 2018 , Cincinnati, Ohio. doi : 10.2514 / 6.2018-4769
- ^ a b Cómo Direct Fusion Drive (DFD) revolucionará los viajes espaciales . Zain Husain, BrownSpaceman . 1 de octubre de 2016.
- ^ Animación técnica de Direct Fusion Drive . Sistemas de satélite de Princeton. Consultado el 18 de julio de 2018.
- ^ Direct Fusion Drive to Mars - Una charla de FISO . Sistemas de satélite de Princeton. 8 de agosto de 2013. Consultado: 18 de julio de 2018.
- ^ ¿ Vas a Marte a través de Fusion Power? Podría ser . Michael D. Lemonick, Time . 11 de septiembre de 2013.
enlaces externos
- Animación técnica de la unidad de fusión directa de Princeton Satellite Systems Inc
- Primera empresa de fusión ligera . La fusión inercial puede ser la base de Fusion Rocket.