Cohete de fusión

Un esquema de un cohete impulsado por la NASA

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 llevar 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 nucleares de fusión es una forma de 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, lo que reduce la masa de protección 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 enorme y el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas 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, de iones) 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 impulsor de masa). Un generador eléctrico que funciona con energía de fusión podría impulsar una nave de este tipo. Una desventaja es que la producción de electricidad convencional 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 fusión en electricidad mitiga este problema.

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 los "combustibles avanzados" (ver fusión aneutrónica). La propulsión de helio-3 usaría 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 1 millón de toneladas de helio-3 accesible están presentes en la luna. Solo el 20% de la energía producida por la reacción D-T podría usarse de esta manera; mientras que el otro 80% se libera en forma de neutrones que, al no poder ser dirigidos por campos magnéticos o paredes sólidas, serían difíciles de dirigir hacia el empuje. El helio-3 se produce a través de 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 autosuficiente, es 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 entre empuje y peso parecería inaceptable. El Centro de Investigación Glenn de la NASA propuso un reactor de toro esférico de pequeña relación de aspecto para su "Discovery II" diseño de vehículos conceptuales. "Descubrimiento II" podría entregar una carga útil tripulada de 172 toneladas métricas 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). 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 propulsora.

Inercial

La principal alternativa al confinamiento magnético es la fusión por confinamiento inercial (ICF), como la que propone el Proyecto Daedalus. Una pequeña bolita de combustible de fusión (con un diámetro de un par de milímetros) sería encendida por un haz de electrones o un láser. Para producir empuje directo, un campo magnético forma la placa de empuje. En principio, la reacción de helio-3-deuterio o una reacción de fusión aneutrónica podrían 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 de la década de 1970, el motor Orion como el Proyecto Daedalus, utilizaron 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 llevar 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 de deuterio/tritio (D-T), más 4.124 toneladas de propelente de hidrógeno. La velocidad de escape sería de 157 km/s.

Objetivo magnetizado

La fusión por objetivo magnetizado (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).) enfoques. 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 apretando rápidamente el objetivo para aumentar drásticamente la densidad del combustible y, por lo tanto, la temperatura. MTF usa "pistolas de plasma" (es decir, técnicas de aceleración electromagnética) en lugar de potentes láseres, lo que lleva a reactores compactos de bajo costo y bajo peso. El grupo de Exploración Humana de Planetas Exteriores (HOPE) de NASA/MSFC ha investigado una nave espacial de propulsión MTF tripulada capaz de entregar una carga útil de 164 toneladas a la luna Calisto de Júpiter usando 106-165 toneladas métricas de propulsor (hidrógeno más D-T o D -Combustible de fusión He3) en 249–330 días. 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 el "Discovery II", "VISTA" conceptos.

Electrostática inercial

Otro concepto popular de confinamiento para cohetes de fusión es el confinamiento electrostático inercial (IEC), como en el Farnsworth-Hirsch Fusor o la variación Polywell que está desarrollando Energy-Matter Conversion Corporation (EMC2). La Universidad de Illinois ha definido un 'Fusion Ship II' de 500 toneladas. concepto 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 D-He3 IEC. El concepto necesitaría 300 toneladas de propulsor de argón para un viaje de ida y vuelta de 1 año al sistema de Júpiter. 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 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.

Antimateria

Un concepto aún más especulativo es la propulsión de pulsos nucleares catalizada por antimateria, que usaría 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 esfuerzo de diseño fallido en la Universidad de Penn State bajo el nombre de AIMStar. El proyecto requeriría más antimateria de la que somos capaces de producir. Además, es necesario superar algunos obstáculos técnicos antes de que sea factible.

Proyectos de desarrollo

• Direct Fusion Drive
• MSNW Magneto-Inertial Fusion Driven Rocket