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Propulsión por fusión

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Esquema de un cohete de fusión de la NASA.

Un cohete de propulsión por fusión nuclear es un diseño teórico de cohetes impulsados por propulsión de fusión, que podría proporcionar una aceleración eficiente y sostenida en el espacio sin la necesidad de transportar una gran cantidad de combustible. Este diseño requiere tecnología de energía de fusión que va más allá de las capacidades actuales, así como cohetes mucho más grandes y complejos.

La propulsión nuclear de pulsos de fusión es un enfoque para utilizar la energía de la fusión nuclear como medio de propulsión.[1]​

La principal ventaja de esta fusión es su gran impulso específico, mientras que su principal desventaja es la (probable) gran masa del reactor. Un cohete de fusión podría generar menos radiación que un cohete de fisión, lo que reduciría la cantidad de masa necesaria para el blindaje. La forma más sencilla de construir un cohete de fusión sería utilizando bombas de hidrógeno, como se propuso en el Proyecto Orión. Sin embargo, una nave de este tipo sería masiva, y el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares prohíbe el uso de estas bombas. Por esta razón, los cohetes basados en bombas probablemente estarían limitados a operar únicamente en el espacio. Un enfoque alternativo utiliza propulsión eléctrica (por ejemplo, propulsores iónicos) alimentada por energía generada a partir de la fusión en lugar de producir empuje directo.

Generación de electricidad frente a empuje directo

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Los métodos de propulsión espacial, como los propulsores iónicos, requieren energía eléctrica para funcionar, pero son altamente eficientes. En algunos casos, su empuje está limitado por la cantidad de energía que puede generarse (por ejemplo, en un acelerador de masa). Un generador eléctrico que funcione con energía de fusión podría impulsar este tipo de nave. Una desventaja es que la producción convencional de electricidad requiere un sumidero de energía a baja temperatura, lo cual es difícil (es decir, pesado) en una nave espacial. La conversión directa de la energía cinética de los productos de la fusión en electricidad puede mitigar este problema.[2]​

Otra posibilidad es dirigir los gases de escape de la fusión hacia la parte trasera del cohete para generar empuje, sin necesidad de producir electricidad de manera intermedia. Esto sería más fácil con algunos esquemas de confinamiento (por ejemplo, espejos magnéticos) que con otros (como los tokamaks). También resulta más interesante para «combustibles avanzados» (ver fusión aneutrónica). La propulsión por helio-3 utilizaría la fusión de átomos de helio-3 como fuente de energía. El helio-3, un isótopo del helio con dos protones y un neutrón, podría fusionarse con deuterio en un reactor. La energía liberada resultante podría expulsar un propulsor hacia la parte trasera de la nave espacial.[3]​

El helio-3 se propone como una fuente de energía para naves espaciales principalmente debido a su abundancia lunar. Los científicos estiman que hay un millón de toneladas de helio-3 accesible en la luna.[4]​ Sin embargo, solo el 20% de la energía producida por la reacción D-T (deuterio-tritio) podría usarse de esta manera; el otro 80% se libera en forma de neutrones que, al no poder ser dirigidos por campos magnéticos ni paredes sólidas, serían difíciles de orientar hacia el empuje y podrían requerir blindaje adicional. El helio-3 se produce mediante la desintegración beta del tritio, que puede obtenerse a partir de deuterio, litio o boro.[5]​

Alternativas de confinamiento

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Magnético

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Para mantener una reacción de fusión, el plasma debe ser confinado. La configuración más estudiada para la fusión terrestre es el tokamak, una forma de confinamiento magnético de plasma. En 2001, el Centro de Investigación Glenn de la NASA propuso un reactor de toro esférico de pequeño radio para su diseño conceptual de vehículo «Discovery II». Este vehículo sería capaz de entregar una carga útil tripulada de 172 toneladas métricas a Júpiter en 118 días (o a Saturno en 212 días), utilizando 861 toneladas métricas de propulsor de hidrógeno, además de 11 toneladas métricas de combustible de fusión Helio-3-Deuterio (D-He3).[6]​ El hidrógeno sería calentado por los residuos del plasma de fusión para aumentar el empuje, aunque a costa de reducir la velocidad de escape (348–463 km/s), lo que incrementaría la masa del propulsor necesaria.

Inercial

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La principal alternativa al confinamiento magnético es la fusión por confinamiento inercial (FCI), como la propuesta por el Proyecto Daedalus. Un pequeño gránulo de combustible de fusión (con un diámetro de un par de milímetros) se encendería mediante un rayo de electrones o un láser. Para producir empuje directo, un campo magnético forma la placa de empuje. En principio, podría utilizarse la reacción Helio-3-Deuterio o una reacción de fusión aneutrónica para maximizar la energía en partículas cargadas y minimizar la radiación, pero es muy cuestionable que utilizar estas reacciones sea técnicamente viable. Los dos estudios de diseño detallado de los años 70, el propulsor Orión y 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» (VISTA) propulsado por ICF. La nave cónica VISTA podía transportar una carga útil de 100 toneladas a la órbita de Marte y volver a la Tierra en 130 días, o a la órbita de Júpiter y volver en 403 días. Se necesitarían 41 toneladas de combustible de fusión de deuterio/tritio (D-T), más 4.124 toneladas de expelente de hidrógeno.[7]​ La velocidad de escape sería de 157 km/s.

Blanco magnetizado

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La fusión de blancos magnetizados (MTF, por sus siglas del inglés Magnetized Target Fusion) es un método relativamente nuevo que combina las mejores características de los métodos más estudiados de fusión por confinamiento magnético (es decir, buen confinamiento de la energía) y fusión por confinamiento inercial (es decir, calentamiento eficiente por compresión y contención sin paredes del plasma en fusión). Al igual que en el enfoque magnético, el combustible de fusión se confina a baja densidad mediante campos magnéticos mientras se calienta en un plasma, pero al igual que en el enfoque de confinamiento inercial, la fusión se inicia comprimiendo rápidamente el objetivo para aumentar drásticamente la densidad del combustible y, por tanto, la temperatura. El MTF utiliza «cañones 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.[8]​ El grupo de Exploración Humana de Planetas Exteriores (HOPE) de la NASA/MSFC ha investigado una nave espacial de propulsión MTF tripulada capaz de transportar una carga útil de 164 toneladas a la luna Calisto de Júpiter utilizando 106-165 toneladas métricas de propulsante (hidrógeno más combustible de fusión D-T o D-He3) en 249-330 días.[9]​ Este diseño sería considerablemente más pequeño y más eficiente en el consumo de combustible debido a su mayor velocidad de escape (700 km/s) que los conceptos «Discovery II» y «VISTA» mencionados anteriormente.

Electroestático inercial

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Otro concepto popular de confinamiento para cohetes de fusión es el confinamiento electrostático inercial (IEC), como en el Fusor Farnsworth-Hirsch o la variante Polywell que está desarrollando Energy-Matter Conversion Corporation (EMC2). La Universidad de Illinois ha definido un concepto de «nave de fusión II» de 500 toneladas capaz de transportar una carga útil tripulada de 100.000 kg a la luna Europa de Júpiter en 210 días. La Nave de Fusión II utiliza cohetes propulsores de iones (343 km/s de velocidad de escape) alimentados por diez reactores de fusión D-He3 IEC. El concepto necesitaría 300 toneladas de propulsante de argón para un viaje de ida y vuelta de un año al sistema de Júpiter.[10]​ Robert Bussard publicó una serie de artículos técnicos sobre su aplicación a los vuelos espaciales a lo largo de la década de 1990. Su trabajo se popularizó gracias a un artículo de la publicación Analog Science Fiction and Fact, en el que Tom Ligon describía cómo el fusor constituiría un cohete de fusión muy eficaz.[11]​

Antimateria

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Un concepto aún más especulativo es la propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria, que utilizaría antimateria para catalizar una reacción de fisión y fusión, permitiendo crear explosiones de fusión mucho más pequeñas. En la década de 1990 se llevó a cabo un proyecto frustrado en la Universidad Estatal de Pensilvania bajo el nombre de AIMStar,[12]​ que requeriría más antimateria de la que se puede producir actualmente. Además, habría que superar algunos obstáculos técnicos antes de que fuera viable.[13]​

Proyectos de desarrollo

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Véase también

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Referencias

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  1. ↑ Slough, John; Pancotti, Anthony; Kirtley, David; Pihl, Christopher; Pfaff, Michael (30 de setiembre de 2012). «Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy: The Fusion Driven Rocket. Phase 1 Final Report» [La propulsión nuclear mediante la conversión directa de la energía de fusión: Cohetes impulsados por fusión. Informe final de la primera fase]. NASA (en inglés): 5. 
  2. ↑ «This scientist says he's built a jet engine that turns electricity directly into thrust» [Este científico dice haber construido un motor a reacción que convierte la electricidad directamente en empuje]. Futurism (en inglés). 10 de julio de 2020. Archivado desde el original el 19 de agosto de 2023. 
  3. ↑ Winterberg, F. (1 de agosto de 2013). «Deuterium–tritium pulse propulsion with hydrogen as propellant and the entire space-craft as a gigavolt capacitor for ignition» [Propulsión por impulsos de deuterio-tritio con hidrógeno como propulsor y toda la nave espacial como condensador de gigavoltios para la ignición]. Acta Astronautica (en inglés) 89: 126-129. ISSN 0094-5765. doi:10.1016/j.actaastro.2013.04.004. 
  4. ↑ Wakefield, Julie (3 de junio de 2000). «Moon's Helium-3 Could Power Earth» [El helio-3 de la Luna podría suministrar energía a la Tierra] (en inglés). Archivado desde el original el 31 de enero de 2023. 
  5. ↑ «Lunar Helium-3 and Fusion Power» [Helio-3 lunar y energía de fusión]. NASA Scientific and Technical Information Branch (en inglés). 1988. 
  6. ↑ Williams, Craig H.; Dudzinski, Leonard A.; Borowski, Stanley K.; Juhasz, Albert J. (2005) [2001]. Realizing "2001: A Space Odyssey": Piloted Spherical Torus Nuclear Fusion Propulsion [Haciendo realidad «2001: Una odisea del espacio»: Propulsión por fusión nuclear de toro esférico pilotado] (en inglés). 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Glenn Research Center. NASA/TM—2005-213559. Archivado desde el original el 4 de julio de 2023. 
  7. ↑ Orth, C. D. (Julio de 1998). «Interplanetary Space Transport Using Inertial Fusion Propulsion» [Transporte espacial interplanetario mediante propulsión por fusión inercial]. 9th International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (Tel Aviv: Lawrence Livermore National Laboratory, publicado el 20 de abril de 1998). UCRL-JC-129237. Archivado desde el original el 15 de diciembre de 2011. 
  8. ↑ Cylar, Rashad (2002). «Magnetized Target Fusion in Advanced Propulsion Research» [Fusión de blancos magnetizados en la investigación de propulsión avanzada]. Centro Marshall de vuelos espaciales/Universidad de Alabama. Archivado desde el original el 19 de mayo de 2023. 
  9. ↑ Adams, R. B.; Alexander, R. A.; Chapman, J. M.; Fincher, S. S.; Hopkins, R. C.; Philips, A. D.; Polsgrove, T. T.; Litchford, R. J.; Patton, B. W.; Statham, G.; White, P. S.; Thio, Y. C. F. (Noviembre de 2003). «Conceptual Design of In-Space Vehicles for Human Exploration of the Outer Planets» [Diseño conceptual de vehículos espaciales para la exploración humana de los planetas exteriores]. Marshall Space Flight Center, ERC Inc., United States Department of Energy. NASA/TP—2003–212691. Archivado desde el original el 31 de agosto de 2023. 
  10. ↑ Webber, J.; Burton, R. L.; Momota, H.; Richardson, N.; Shaban, Y.; Miley, G. H. (2003). «Fusion Ship II - A Fast Manned Interplanetary Space Vehicle Using Inertial Electrostatic Fusion» [Nave de fusión II: un rápido vehículo espacial interplanetario tripulado que utiliza la fusión electrostática inercial]. University of Illinois, U-C, Department of Nuclear, Plasma and Radiological Engineering. Archivado desde el original el 17 de junio de 2012. 
  11. ↑ Ligon, Tom (1998). «The World's Simplest Fusion Reactor: And How to Make It Work» [El reactor de fusión más sencillo del mundo: Cómo hacerlo funcionar]. Analog Science Fiction & Fact (en inglés) (Nueva York) 118 (12). Archivado desde el original el 15 de junio de 2006. 
  12. ↑ Lewis, Raymond A.; Meyer, Kirby; Smith, Gerald A.; Howe, Steven D. (1999). «AIMStar: Antimatter Initiated Microfusion For Pre-cursor Interstellar Missions» [AIMStar: Microfusión iniciada por antimateria para misiones interestelares precursoras]. Acta Astronautica (en inglés) 44 (2–4): 183-186. Bibcode:1999AcAau..44..183G. doi:10.1016/S0094-5765(99)00046-6. Archivado desde el original el 16 de junio de 2014. 
  13. ↑ Schmidt, G.; Gerrish, H.; Martin, J.; Smith, G.; Meyer, K. (1999). Antimatter production for near-term propulsion applications (en inglés). American Institute of Aeronautics and Astronautics & Pennsylvania State University. doi:10.2514/6.1999-2691. Archivado desde el original el 6 de marzo de 2007. 

Enlaces externos

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