Un cohete de fusión es un diseño teórico para un cohete impulsado por propulsión de fusión que podría proporcionar una aceleración eficiente y sostenida en el espacio sin la necesidad de transportar un gran suministro de combustible. El diseño requiere tecnología de energía de fusión más allá de las capacidades actuales, y cohetes mucho más grandes y complejos.
La propulsión por pulsos de fusión nuclear es un método para utilizar la energía de fusión nuclear para proporcionar propulsión.
La principal ventaja de Fusion es su impulso específico muy alto , mientras que su principal desventaja es la (probable) gran masa del reactor. Un cohete de fusión puede producir menos radiación que un cohete de fisión , reduciendo la masa protectora necesaria. La forma más segura de construir un cohete de fusión es usar bombas de hidrógeno como se propone en el Proyecto Orión , pero tal nave espacial sería masiva y el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares prohíbe el uso de tales bombas. Por esa razón, los cohetes basados en bombas probablemente se limitarían a operar solo en el espacio. Un enfoque alternativo utiliza propulsión eléctrica (por ejemplo, iónica ) con energía eléctrica generada por fusión en lugar de empuje directo.
Generación de electricidad frente a empuje directo
Los métodos de propulsión de naves espaciales, como los propulsores de iones, requieren energía eléctrica para funcionar, pero son muy eficientes. En algunos casos, su empuje está limitado por la cantidad de energía que se puede generar (por ejemplo, un controlador de masa ). Un generador eléctrico que funcione con energía de fusión podría impulsar tal barco. Una desventaja es que la producción de electricidad convencional requiere un sumidero de energía a baja temperatura, lo que es difícil (es decir, pesado) en una nave espacial. La conversión directa de la energía cinética de los productos de fusión en electricidad mitiga este problema. [ cita requerida ] [ síntesis inadecuada? ]
Una posibilidad atractiva es dirigir el escape de fusión por la parte trasera del cohete para proporcionar empuje sin la producción intermedia de electricidad. Esto sería más fácil con algunos esquemas de confinamiento (por ejemplo, espejos magnéticos ) que con otros (por ejemplo, tokamaks ). También es más atractivo para "combustibles avanzados" (ver fusión aneutrónica ). La propulsión de helio-3 utilizaría la fusión de átomos de helio-3 como fuente de energía. El helio-3, un isótopo de helio con dos protones y un neutrón , podría fusionarse con deuterio en un reactor. La liberación de energía resultante podría expulsar el propulsor por la parte trasera de la nave espacial. El helio-3 se propone como fuente de energía para naves espaciales principalmente debido a su abundancia lunar. Los científicos estiman que hay 1 millón de toneladas de helio-3 accesible en la luna. [1] Solo el 20% de la energía producida por la reacción de DT podría usarse de esta manera; mientras que el otro 80% se libera en forma de neutrones que, debido a que no pueden ser dirigidos por campos magnéticos o paredes sólidas, sería difícil de dirigir hacia el empuje. El helio-3 se produce mediante la desintegración beta del tritio , que se puede producir a partir de deuterio, litio o boro.
Incluso si no se puede producir una reacción de fusión autosostenida, podría ser posible utilizar la fusión para aumentar la eficiencia de otro sistema de propulsión, como un motor VASIMR .
Alternativas de confinamiento
Magnético
Para sostener una reacción de fusión, el plasma debe estar confinado. La configuración más estudiada para la fusión terrestre es el tokamak , una forma de fusión por confinamiento magnético . Actualmente los tokamaks pesan mucho, por lo que la relación empuje / peso parecería inaceptable. La NASA 's Centro de Investigación Glenn propuso un pequeño reactor tórico esférica relación de aspecto de su diseño conceptual vehículo 'Descubrimiento II'. El "Discovery II" podría entregar una carga útil tripulada de 172 000 kilogramos a Júpiter en 118 días (o 212 días a Saturno ) utilizando 861 toneladas métricas de propulsor de hidrógeno , más 11 toneladas métricas de combustible de fusión Helio-3 - Deuterio (D-He3) . [2] El hidrógeno es calentado por los desechos del plasma de fusión para aumentar el empuje, a costa de reducir la velocidad de escape (348-463 km / s) y, por lo tanto, aumentar la masa del propulsor.
Inercial
La principal alternativa al confinamiento magnético es la fusión por confinamiento inercial (ICF), como la propuesta por el Proyecto Daedalus . Un pequeño gránulo de combustible de fusión (con un diámetro de un par de milímetros) sería encendido por un haz de electrones o un láser . Para producir un empuje directo, un campo magnético forma la placa de empuje. En principio, la reacción de helio-3-deuterio o una reacción de fusión aneutrónica podría usarse para maximizar la energía en partículas cargadas y minimizar la radiación, pero es muy cuestionable si el uso de estas reacciones es técnicamente factible. Tanto los estudios de diseño detallados en la década de 1970, la unidad Orion como el Proyecto Daedalus, utilizaron el confinamiento inercial. En la década de 1980, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la NASA estudiaron un "Vehículo para aplicaciones de transporte interplanetario" impulsado por ICF (VISTA). La nave espacial cónica VISTA podría entregar una carga útil de 100 toneladas a la órbita de Marte y regresar a la Tierra en 130 días, oa la órbita de Júpiter y regresar en 403 días. Se necesitarían 41 toneladas de combustible de fusión deuterio / tritio (DT), más 4.124 toneladas de propulsor de hidrógeno. [3] La velocidad de escape sería de 157 km / s.
Blanco magnetizado
La fusión de objetivos magnetizados (MTF) es un enfoque relativamente nuevo que combina las mejores características de la fusión por confinamiento magnético más ampliamente estudiada (es decir, buen confinamiento de energía) y la fusión por confinamiento inercial (es decir, calentamiento por compresión eficiente y contención sin paredes del plasma de fusión). Al igual que el enfoque magnético, el combustible de fusión está confinado a baja densidad por campos magnéticos mientras se calienta en un plasma , pero al igual que el enfoque de confinamiento inercial, la fusión se inicia presionando rápidamente el objetivo para aumentar drásticamente la densidad del combustible y, por lo tanto, la temperatura. MTF utiliza "pistolas de plasma" (es decir, técnicas de aceleración electromagnética) en lugar de potentes láseres, lo que da lugar a reactores compactos de bajo coste y peso. [4] El grupo de exploración de planetas exteriores humanos (HOPE) de la NASA / MSFC ha investigado una nave espacial de propulsión MTF tripulada capaz de entregar una carga útil de 163933 kilogramos a la luna de Júpiter Callisto utilizando 106-165 toneladas métricas de propulsor (hidrógeno más DT o D- Combustible de fusión He3) en 249-330 días. [5] Por lo tanto, este diseño sería considerablemente más pequeño y más eficiente en combustible debido a su mayor velocidad de escape (700 km / s) que los conceptos "Discovery II", "VISTA" mencionados anteriormente.
Electrostático inercial
Otro concepto de confinamiento popular para los cohetes de fusión es el confinamiento electrostático inercial (IEC), como en el Farnsworth-Hirsch Fusor o la variación Polywell en desarrollo por Energy-Matter Conversion Corporation (EMC2). La Universidad de Illinois ha definido un concepto de "Fusion Ship II" de 500 toneladas capaz de entregar una carga útil tripulada de 100.000 kg a la luna Europa de Júpiter en 210 días. Fusion Ship II utiliza propulsores de cohetes de iones (velocidad de escape de 343 km / s) impulsados por diez reactores de fusión IEC D-He3. El concepto necesitaría 300 toneladas de propulsor de argón para un viaje de ida y vuelta de 1 año al sistema de Júpiter. [6] Robert Bussard publicó una serie de artículos técnicos que discutían su aplicación a los vuelos espaciales a lo largo de la década de 1990. Su trabajo fue popularizado por un artículo en la publicación Analog Science Fiction and Fact , donde Tom Ligon describió cómo el fusor sería un cohete de fusión altamente efectivo. [7]
Antimateria
Un concepto aún más especulativo es la propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria , que utilizaría la antimateria para catalizar una reacción de fisión y fusión, lo que permitiría crear explosiones de fusión mucho más pequeñas. Durante la década de 1990, se llevó a cabo un fallido esfuerzo de diseño en la Penn State University con el nombre de AIMStar . [8] El proyecto requeriría más antimateria de la que somos capaces de producir. Además, es necesario superar algunos obstáculos técnicos antes de que sea factible. [9]
Proyectos de desarrollo
- Unidad de fusión directa
- Cohete impulsado por fusión magneto-inercial MSNW
Ver también
- Helio-3
- Propulsión nuclear
Referencias
- ^ "El helio-3 de la luna podría alimentar la Tierra" (PDF) .
- ^ "Realización de" 2001: una odisea del espacio ": propulsión de fusión nuclear de toro esférico pilotado" por Craig H. Williams, Leonard A. Dudzinski, Stanley K. Borowski y Albert J. Juhasz, NASA TM-2005-213559, 2005, https : //ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20050160960_2005161052.pdf
- ^ "Transporte espacial interplanetario mediante propulsión por fusión inercial" por CDOrth, UCRL-JC-129239, 9ª Conferencia internacional sobre sistemas nucleares emergentes, Tel-Aviv, Israel, 28 de junio al 2 de julio de 1998 "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de diciembre de 2011 . Consultado el 4 de septiembre de 2011 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "Fusión objetivo magnetizado en la investigación de propulsión avanzada" por Rashad Cylar, MSFC / Programa de becas de la facultad de la NASA de la Universidad de Alabama 2002, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030093609_2003101283.pdf
- ^ "Diseño conceptual de vehículos espaciales para la exploración humana de los planetas exteriores", NASA / TP — 2003–212691, noviembre de 2003, https://ntrs.nasa.gov/citations/20040010797
- ^ "Fusion Ship II - Un vehículo espacial interplanetario tripulado rápido que utiliza fusión electrostática inercial", J.Webber et al., Universidad de Illinois, UC, Departamento de ingeniería nuclear, de plasma y radiológica, 2003, http: //fti.neep .wisc.edu / iecworkshop / PDF / TECHNICAL_TALKS / webber.pdf
- ^ Ligon, Tom (diciembre de 1998). "El reactor de fusión más simple del mundo: y cómo hacerlo funcionar" . Ciencia ficción analógica y hechos . Vol. 118 no. 12. Nueva York. Archivado desde el original el 15 de junio de 2006.
- ^ Lewis, Raymond A; Meyer, Kirby; Smith, Gerald A; Howe, Steven D. "AIMStar: Microfusión iniciada con antimateria para misiones interestelares anteriores al cursor" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 16 de junio de 2014.
- ^ Producción de antimateria para aplicaciones de propulsión a corto plazo "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2007-03-06 . Consultado el 24 de mayo de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
enlaces externos
- New Scientist Space (23.01.2003): La fusión nuclear podría impulsar la nave espacial de la NASA
- Proyecto Ícaro: propulsión de fusión de hidrógeno
- Twenty-One Castle Mike por Kir Komrik a cargo de (nombre reservado) Marine, LLC
- Veintiún diagramas de Castle Mike
- El caso y la ruta de desarrollo para la propulsión por fusión
- Primera empresa de fusión ligera. La fusión inercial puede ser la base de Fusion Rocket