La propulsión de pulso nuclear o la propulsión de plasma pulsado externo es un método hipotético de propulsión de naves espaciales que utiliza explosiones nucleares para el empuje . [1] Se originó como Proyecto Orion con el apoyo de DARPA , después de una sugerencia de Stanislaw Ulam en 1947. [2] Los diseños más nuevos que utilizan la fusión por confinamiento inercial han sido la línea de base para la mayoría de los diseños posteriores, incluidos el Proyecto Daedalus y el Proyecto Longshot .
Historia
Proyecto Orion
El Proyecto Orión fue el primer intento serio de diseñar un cohete de pulso nuclear. El diseño se formó en General Atomics a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960. La idea era hacer reaccionar pequeños explosivos nucleares direccionales utilizando una variante del diseño de bomba de dos etapas Teller-Ulam contra una gran placa empujadora de acero unida a la nave espacial con amortiguadores. Los explosivos direccionales eficientes maximizan la transferencia de impulso, lo que lleva a impulsos específicos en el rango de 6.000 segundos, o aproximadamente trece veces el del motor principal del transbordador espacial . Con refinamientos, podría ser posible un máximo teórico de 100.000 segundos (1 MN · s / kg). Los empujes fueron de millones de toneladas , lo que permitió construir naves espaciales de más de 8 × 10 6 toneladas con materiales de 1958. [3]
El diseño de referencia iba a ser construido de acero usando una construcción de estilo submarino con una tripulación de más de 200 y un peso de despegue del vehículo de varios miles de toneladas . Este diseño de referencia de una sola etapa llegaría a Marte y regresaría en cuatro semanas desde la superficie de la Tierra (en comparación con los 12 meses de la actual misión de referencia de la NASA con propulsión química). La misma nave podría visitar las lunas de Saturno en una misión de siete meses (en comparación con las misiones impulsadas químicamente de unos nueve años).
Problemas de ingeniería relacionados en particular con el blindaje de la tripulación y la vida útil de la placa de empuje. El sistema parecía ser viable cuando el proyecto se cerró en 1965, principalmente porque el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas lo hizo ilegal (antes del tratado, los EE. UU. Y la Unión Soviética ya habían detonado al menos nueve bombas nucleares, incluidas bombas termonucleares, en el espacio). , es decir, en altitudes superiores a 100 km: ver explosiones nucleares a gran altitud ). Los problemas éticos complicaron el lanzamiento de un vehículo de este tipo dentro de la magnetosfera de la Tierra : los cálculos que utilizaron el modelo lineal sin umbral (controvertido) de daño por radiación mostraron que las consecuencias de cada despegue mataría entre 1 y 10 personas. [4] En un modelo de umbral, niveles tan bajos de radiación distribuida en forma fina no tendrían efectos nocivos asociados, mientras que en los modelos de hormesis , dosis tan pequeñas serían insignificantemente beneficiosas. [5] [6] Con el posible uso de bombas nucleares limpias menos eficientes para alcanzar la órbita y luego bombas más eficientes y sucias de mayor rendimiento para viajar, se reduciría significativamente la cantidad de lluvia radiactiva causada por un lanzamiento desde la Tierra.
Una misión útil sería desviar un asteroide o cometa en curso de colisión con la Tierra, representado dramáticamente en la película Deep Impact de 1998 . El alto rendimiento permitiría que incluso un lanzamiento tardío tuviera éxito, y el vehículo podría transferir efectivamente una gran cantidad de energía cinética al asteroide mediante un simple impacto. [7] La perspectiva de un impacto inminente de un asteroide obviaría las preocupaciones sobre las pocas muertes previstas por la lluvia radiactiva . Una misión automatizada eliminaría el desafío de diseñar un amortiguador que protegiera a la tripulación.
Orion es una de las pocas unidades espaciales interestelares que teóricamente podrían construirse con la tecnología disponible, como se analiza en un artículo de 1968, Interstellar Transport by Freeman Dyson .
Proyecto Daedalus
El Proyecto Daedalus fue un estudio realizado entre 1973 y 1978 por la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS) para diseñar una nave espacial interestelar no tripulada que pudiera alcanzar una estrella cercana en unos 50 años. Una docena de científicos e ingenieros dirigidos por Alan Bond trabajaron en el proyecto. En ese momento, la investigación sobre la fusión parecía estar dando grandes pasos y, en particular, la fusión por confinamiento inercial (ICF) parecía ser adaptable como un motor de cohete.
ICF utiliza pequeños gránulos de combustible de fusión, típicamente deuteruro de litio ( 6 Li 2 H) con un pequeño disparador de deuterio / tritio en el centro. Los perdigones se lanzan a una cámara de reacción donde son golpeados por todos lados por láseres u otra forma de energía emitida. El calor generado por las vigas comprime explosivamente el gránulo hasta el punto en que se produce la fusión. El resultado es un plasma caliente y una "explosión" muy pequeña en comparación con el tamaño mínimo de bomba que se requeriría para crear la cantidad necesaria de fisión.
Para Daedalus, este proceso debía ejecutarse dentro de un gran electroimán que formaba el motor del cohete. Después de la reacción, encendida por haces de electrones, el imán canalizó el gas caliente hacia la parte trasera para empujarlo. Parte de la energía se desvió para hacer funcionar los sistemas y el motor de la nave. Para que el sistema fuera seguro y energéticamente eficiente, Daedalus debía funcionar con un combustible de helio-3 recogido de Júpiter .
Medusa
El diseño de Medusa tiene más en común con las velas solares que con los cohetes convencionales. Fue concebido por Johndale Solem [8] en la década de 1990 y publicado en el Journal of the British Interplanetary Society (JBIS). [9]
Una nave espacial Medusa desplegaría una gran vela delante de ella, unida por cables independientes, y luego lanzaría explosivos nucleares hacia adelante para detonar entre ella y su vela. La vela sería acelerada por el plasma y el impulso fotónico, agotando las amarras como cuando un pez huye de un pescador, generando electricidad en el "carrete". La nave espacial usaría parte de la electricidad generada para enrollarse hacia la vela, acelerando constantemente y sin problemas a medida que avanza. [10]
En el diseño original, múltiples amarres conectados a múltiples generadores de motor. La ventaja sobre la atadura simple es aumentar la distancia entre la explosión y las ataduras, reduciendo así el daño a las ataduras.
Para cargas útiles pesadas, el rendimiento podría mejorarse aprovechando los materiales lunares, por ejemplo, envolviendo el explosivo con roca lunar o agua, almacenada previamente en un punto estable de Lagrange . [11]
Medusa funciona mejor que el diseño clásico de Orion porque su vela intercepta más impulso explosivo, su recorrido de amortiguador es mucho más largo y sus estructuras principales están en tensión y, por lo tanto, pueden ser bastante livianas. Los barcos tipo Medusa serían capaces de un impulso específico entre 50.000 y 100.000 segundos (500 a 1000 kN · s / kg).
Medusa se hizo ampliamente conocida por el público en el documental de la BBC To Mars By A-Bomb: The Secret History of Project Orion . [12] Un cortometraje muestra la concepción de un artista de cómo funciona la nave espacial Medusa "lanzando bombas a una vela que está delante de ella". [13]
Proyecto Longshot
El Proyecto Longshot fue un proyecto de investigación patrocinado por la NASA que se llevó a cabo en conjunto con la Academia Naval de los Estados Unidos a fines de la década de 1980. [14] Longshot fue en cierto modo un desarrollo del concepto básico de Daedalus, ya que utilizaba ICF canalizado magnéticamente. La diferencia clave fue que sintieron que la reacción no podía alimentar tanto el cohete como los otros sistemas, y en su lugar incluyó un reactor nuclear convencional de 300 kW para hacer funcionar la nave. El peso adicional del reactor redujo un poco el rendimiento, pero incluso usando combustible LiD podría alcanzar la estrella vecina Alpha Centauri en 100 años (velocidad aproximada de 13.411 km / s, a una distancia de 4.5 años luz, equivalente a 4.5%). de la velocidad de la luz).
Reacción nuclear catalizada por antimateria
A mediados de la década de 1990, la investigación en la Universidad Estatal de Pensilvania llevó al concepto de usar antimateria para catalizar reacciones nucleares. Los antiprotones reaccionarían dentro del núcleo de uranio , liberando energía que rompe el núcleo como en las reacciones nucleares convencionales. Incluso una pequeña cantidad de tales reacciones puede iniciar la reacción en cadena que de otro modo requeriría un volumen mucho mayor de combustible para sostenerse. Mientras que la masa crítica "normal" para el plutonio es de aproximadamente 11,8 kilogramos (para una esfera a densidad estándar), con reacciones catalizadas por antimateria esto podría estar muy por debajo de un gramo.
Se propusieron varios diseños de cohetes que usaban esta reacción, algunos que usarían reacciones de fisión total para misiones interplanetarias, y otros usarían fusión de fisión (efectivamente una versión muy pequeña de las bombas de Orión) para misiones interestelares.
Fusión magneto-inercial
Diseñador | MSNW LLC |
---|---|
Solicitud | Interplanetario |
Estado | Teórico |
Actuación | |
Impulso específico | De 1.606 sa 5.722 s (según la ganancia de fusión) |
Quemar tiempo | 1 día a 90 días (10 días óptimos con una ganancia de 40) |
Referencias | |
Referencias | [15] |
Notas |
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La NASA financió a MSNW LLC y la Universidad de Washington en 2011 para estudiar y desarrollar un cohete de fusión a través del Programa NIAC Innovative Advanced Concepts de la NASA . [dieciséis]
El cohete utiliza una forma de fusión magneto-inercial para producir un cohete de fusión de empuje directo. Los campos magnéticos hacen que grandes anillos de metal colapsen alrededor del plasma de deuterio - tritio , lo que desencadena la fusión. La energía calienta e ioniza la capa de metal formada por los anillos triturados. El metal ionizado caliente sale disparado de la boquilla de un cohete magnético a alta velocidad (hasta 30 km / s). Repetir este proceso aproximadamente cada minuto impulsaría la nave espacial. [17] La reacción de fusión no es autosuficiente y requiere energía eléctrica para explotar cada pulso. Con requisitos eléctricos estimados entre 100 kW y 1,000 kW (300 kW promedio), los diseños incorporan paneles solares para producir la energía requerida. [15]
Foil Liner Compression crea fusión a la escala de energía adecuada. El experimento de prueba de concepto en Redmond, Washington, fue utilizar revestimientos de aluminio para la compresión. Sin embargo, el diseño final fue utilizar revestimientos de litio. [18] [19]
Las características de rendimiento dependen del factor de ganancia de energía de fusión logrado por el reactor. Se esperaba que las ganancias estuvieran entre 20 y 200, con un promedio estimado de 40. Las ganancias más altas producen una mayor velocidad de escape, un impulso específico más alto y menores requisitos de energía eléctrica. La siguiente tabla resume las diferentes características de rendimiento para una transferencia teórica a Marte de 90 días con ganancias de 20, 40 y 200.
Ganancia total | Ganancia de 20 | Ganancia de 40 | Ganancia de 200 |
---|---|---|---|
Masa del trazador de líneas (kg) | 0.365 | 0.365 | 0.365 |
Impulso (s) específico (s) | 1,606 | 2,435 | 5.722 |
Fracción de masa | 0,33 | 0,47 | 0,68 |
Masa específica (kg / kW) | 0,8 | 0,53 | 0,23 |
Propelente de masa (kg) | 110 000 | 59.000 | 20.000 |
Inicial de masa (kg) | 184.000 | 130.000 | 90.000 |
Potencia eléctrica requerida (kW) | 1.019 | 546 | 188 |
En abril de 2013, MSNW había demostrado subcomponentes de los sistemas: calentar el plasma de deuterio hasta las temperaturas de fusión y concentrar los campos magnéticos necesarios para crear la fusión. Planearon poner las dos tecnologías juntas para una prueba antes de finales de 2013. [15] [20] [21]
Propulsión pulsada por fisión-fusión
La propulsión pulsada de fisión-fusión (PuFF) se basa en principios similares a la fusión magneto-inercial, tiene como objetivo resolver el problema de la tensión extrema inducida en la contención por un motor tipo Orion mediante la expulsión del plasma obtenido de pequeñas pastillas de combustible que se someten a autocatalización reacciones de fisión y fusión iniciadas por un Z-pinch . Es un sistema de propulsión teórico investigado a través del Programa NIAC por la Universidad de Alabama en Huntsville . [22] Es, en esencia, un cohete de fusión que utiliza una configuración Z-pinch, pero junto con una reacción de fisión para impulsar el proceso de fusión.
Una pastilla de combustible PuFF, de alrededor de 1 cm de diámetro, [23] consta de dos componentes: un cilindro de plasma de deuterio-tritio (DT), llamado objetivo , que se fusiona, y una vaina de U-235 circundante que sufre una fisión envuelta por un revestimiento de litio. El litio líquido, que actúa como moderador, llena el espacio entre el cilindro DT y la vaina de uranio. La corriente pasa a través del litio líquido, se genera una fuerza de Lorentz que luego comprime el plasma DT en un factor de 10 en lo que se conoce como Z-pinch. El plasma comprimido alcanza la criticidad y sufre reacciones de fusión. Sin embargo, la ganancia de energía de fusión ( Q ) de estas reacciones está muy por debajo del punto de equilibrio ( Q <1), lo que significa que la reacción consume más energía de la que produce.
En un diseño PuFF, los neutrones rápidos liberados por la reacción de fusión inicial inducen la fisión en la vaina del U-235. El calor resultante hace que la vaina se expanda, aumentando su velocidad de implosión sobre el núcleo de DT y comprimiéndolo aún más, liberando neutrones más rápidos. Aquellos nuevamente amplifican la tasa de fisión en la vaina, haciendo que el proceso sea autocatalítico. Se espera que esto resulte en una combustión completa tanto de los combustibles de fisión como de fusión, haciendo que PuFF sea más eficiente que otros conceptos de pulso nuclear. [24] [25] Al igual que en un cohete de fusión magneto-inercial, el rendimiento del motor depende del grado en que aumenta la ganancia de fusión del objetivo DT.
Un "pulso" consiste en la inyección de una pastilla de combustible en la cámara de combustión, su consumo a través de una serie de reacciones de fisión-fusión, y finalmente la expulsión del plasma liberado a través de una boquilla magnética, generando empuje. Se espera que un solo pulso tarde solo una fracción de segundo en completarse.
Ver también
- Propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria
- Cohete de antimateria
- AIMStar
- Propulsión de naves espaciales con propulsión eléctrica
- Propulsor de iones
- Cohete eléctrico nuclear
- Energía nuclear en el espacio
- Propulsión nuclear
- Cohete termal nuclear
- Proyecto Plutón
- Cohete térmico nuclear pulsado
- Stellarator
Referencias
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enlaces externos
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