Propulsión de pulsos nucleares

La concepción de un artista de la nave espacial "básica" de la Proyección Orión, alimentada por la propulsión del pulso nuclear.

Propulsión de pulsos nucleares o propulsión de plasma pulsado externo es un método hipotético de propulsión de naves espaciales que utiliza explosiones nucleares para impulsarse. Se originó como el Proyecto Orión con el apoyo de DARPA, después de una sugerencia de Stanislaw Ulam en 1947. Los diseños más nuevos que utilizan la fusión por confinamiento inercial han sido la base para la mayoría de los diseños posteriores, incluidos el Proyecto Daedalus y el Proyecto Longshot.

Historia

Los Álamos

Los cálculos para un uso potencial de esta tecnología se realizaron en el laboratorio desde y hacia fines de la década de 1940 hasta mediados de la década de 1950.

Proyecto Orión

Una unidad de propulsión de pulso nuclear. La carga explosiva vaporiza ablativamente al propulsor, lo aleja de la carga y crea simultáneamente un plasma fuera del propulsor. El propulsor entonces continúa para impactar la placa del impulsor en la parte inferior de la nave espacial Orión, impartiendo un pulso de energía 'pushing'.

El Proyecto Orión fue el primer intento serio de diseñar un cohete de pulso nuclear. Se formó un diseño en General Atomics a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960, con la idea de hacer reaccionar pequeños explosivos nucleares direccionales utilizando una variante del diseño de bomba de dos etapas Teller-Ulam contra una gran placa de empuje de acero unida a la nave espacial con amortiguadores.. Los explosivos direccionales eficientes maximizaron la transferencia de impulso, lo que generó impulsos específicos en el rango de 6.000 segundos, o unas trece veces la 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 naves espaciales de más de 8×10⁶ toneladas a construir con materiales de 1958.

El diseño de referencia iba a ser de acero utilizando 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 química de la NASA). 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). Los problemas de ingeniería notables que ocurrieron estaban relacionados con el blindaje de la tripulación y la vida útil de la placa de empuje.

Aunque el sistema parecía funcionar, el proyecto se canceló en 1965, principalmente porque el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas lo hizo ilegal; de hecho, antes del tratado, EE. UU. y la Unión Soviética ya habían detonado por separado un número combinado de al menos nueve bombas nucleares, incluidas las termonucleares, en el espacio, es decir, a altitudes de más de 100 km (ver explosiones nucleares a gran altura). Los problemas éticos complicaron el lanzamiento de un vehículo de este tipo dentro de la magnetosfera de la Tierra: los cálculos utilizando el (disputado) modelo lineal sin umbral de daño por radiación mostraron que las consecuencias de cada despegue causarían la muerte de aproximadamente 1 a 10 individuos. En un modelo de umbral, niveles tan extremadamente bajos de radiación distribuida de manera delgada no tendrían efectos nocivos asociados, mientras que en modelos de hormesis, dosis tan pequeñas serían insignificantemente beneficiosas. El uso de bombas nucleares limpias menos eficientes para alcanzar la órbita y luego bombas más sucias más eficientes y de mayor rendimiento para viajar 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 de 1998 Impacto Profundo. 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. La perspectiva de un impacto de asteroide inminente 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, en teoría, podrían construirse con la tecnología disponible, como se explica en un artículo de 1968, "Transporte interestelar" por Freeman Dyson.

Proyecto Dédalo

El Proyecto Daedalus fue un estudio realizado entre 1973 y 1978 por la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS) para diseñar una nave espacial interestelar sin tripulación 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 de 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, normalmente deuteruro de litio (⁶Li²H) con un pequeño disparador de deuterio/tritio en el centro. Los gránulos se arrojan a una cámara de reacción donde son golpeados por todos lados por láseres u otra forma de energía emitida. El calor generado por los rayos 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, provocada por haces de electrones, el imán canalizó el gas caliente hacia atrás para impulsarlo. Parte de la energía se desvió para hacer funcionar los sistemas y el motor del barco. Para hacer que el sistema fuera seguro y energéticamente eficiente, Daedalus debía funcionar con un combustible de helio-3 recolectado de Júpiter.

Medusa

Diagrama conceptual de una nave espacial propulsión Medusa, mostrando: (A) la cápsula de carga útil, (B) el mecanismo Winch, (C) el cable de tetera principal opcional, (D) Tethers, y (E) el mecanismo de paracaídas.

Secuencia de funcionamiento de la Medusa sistema de propulsión. Este diagrama muestra la secuencia operativa de un Medusa propulsión nave espacial 1) Comenzando en el momento de disparar una unidad explosiva, 2) A medida que el pulso explosivo llega al recipiente del paracaídas, 3) Empuja el cañón, acelerando la distancia de la explosión mientras la nave espacial juega el tether principal con el winch, generando electricidad a medida que se extiende, y acelerando la nave espacial, 4) Y finalmente gana la nave espacial hacia adelante al cañón y utiliza exceso de electricidad para otros propósitos.

El diseño Medusa tiene más en común con las velas solares que con los cohetes convencionales. Fue ideado por Johndale Solem en la década de 1990 y publicado en el Journal of the British Interplanetary Society (JBIS).

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 ataduras 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 sin problemas a medida que avanza.

En el diseño original, múltiples cables conectados a múltiples generadores de motor. La ventaja sobre la atadura simple es aumentar la distancia entre la explosión y las ataduras, lo que reduce 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 de Lagrange estable.

Medusa funciona mejor que el diseño clásico de Orion porque su vela intercepta más impulso explosivo, la carrera del amortiguador es mucho más larga y sus estructuras principales están en tensión y, por lo tanto, pueden ser bastante livianas.. Los barcos tipo Medusa serían capaces de generar 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. Un cortometraje muestra la concepción de un artista de cómo funciona la nave espacial Medusa "arrojando bombas a una vela que está delante de ella".

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 EE. UU. a fines de la década de 1980. Longshot fue en cierto modo un desarrollo del concepto básico de Daedalus, en el sentido de 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 incluyeron un reactor nuclear convencional de 300 kW para hacer funcionar la nave. El peso añadido del reactor redujo un poco el rendimiento, pero incluso utilizando combustible LiD sería capaz de alcanzar la estrella vecina Alfa Centauri en 100 años (velocidad aproximada de 13.411 km/s, a una distancia de 4,5 años luz, equivalente al 4,5 %). de la velocidad de la luz).

Reacción nuclear catalizada por antimateria

A mediados de la década de 1990, una investigación en la Universidad Estatal de Pensilvania condujo al concepto de usar antimateria para catalizar reacciones nucleares. Los antiprotones reaccionarían dentro del núcleo del uranio, liberando energía que rompería el núcleo como en las reacciones nucleares convencionales. Incluso un pequeño número de tales reacciones puede iniciar la reacción en cadena que, de otro modo, requeriría un volumen mucho mayor de combustible para sostenerse. Mientras que el "normal" la masa crítica para el plutonio es de aproximadamente 11,8 kilogramos (para una esfera de 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 para misiones interplanetarias y otros que usaban fisión-fusión (de hecho, una versión muy pequeña de las bombas de Orión) para misiones interestelares.

Fusión magneto-inercial

La NASA financió a MSNW LLC y a la Universidad de Washington en 2011 para estudiar y desarrollar un cohete de fusión a través del Programa NIAC de Conceptos Avanzados e Innovadores de la NASA.

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 caliente e ionizado sale disparado de la tobera de un cohete magnético a alta velocidad (hasta 30 km/s). Repetir este proceso aproximadamente cada minuto impulsaría la nave espacial. La reacción de fusión no es autosuficiente y requiere energía eléctrica para explotar cada pulso. Con requisitos eléctricos estimados entre 100 kW y 1000 kW (promedio de 300 kW), los diseños incorporan paneles solares para producir la energía requerida.

La compresión del revestimiento de aluminio crea fusión en 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 definitivo fue utilizar revestimientos de litio.

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 velocidad de escape más alta, un impulso específico más alto y requisitos de energía eléctrica más bajos. La siguiente tabla resume diferentes características de rendimiento para una transferencia teórica de Marte de 90 días con ganancias de 20, 40 y 200.

Para abril de 2013, MSNW había demostrado los subcomponentes de los sistemas: calentamiento del plasma de deuterio hasta las temperaturas de fusión y concentración de los campos magnéticos necesarios para crear la fusión. Planearon poner las dos tecnologías juntas para una prueba antes de finales de 2013.

Propulsión pulsada de fisión-fusión

La propulsión de fisión-fusión pulsada (PuFF) se basa en principios similares a la fusión magneto-inercial. Su objetivo es resolver el problema de la tensión extrema inducida en la contención por un motor similar a Orion al expulsar el plasma obtenido de pequeñas pastillas de combustible. que experimentan reacciones de fisión y fusión autocatalíticas iniciadas por un pellizco en Z. Es un sistema de propulsión teórico investigado a través del Programa NIAC por la Universidad de Alabama en Huntsville. 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, consta de dos componentes: un cilindro de plasma de deuterio-tritio (D-T), llamado objetivo, que se fusiona, y un U- 235 vaina que sufre fisión envuelta por un revestimiento de litio. El litio líquido, que actúa como moderador, llena el espacio entre el cilindro D-T y la cubierta de uranio. La corriente pasa a través del litio líquido, se genera una fuerza de Lorentz que luego comprime el plasma D-T por un factor de 10 en lo que se conoce como pellizco Z. 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 cubierta se expanda, aumentando su velocidad de implosión en el núcleo D-T y comprimiéndolo aún más, liberando neutrones más rápidos. Esos nuevamente amplifican la tasa de fisión en la vaina, lo que hace que el proceso sea autocatalítico. Se espera que esto resulte en una quema completa de los combustibles de fisión y fusión, haciendo que PuFF sea más eficiente que otros conceptos de pulso nuclear. 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 D-T.

Un "pulso" consisten 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 tobera magnética, generando así empuje. Se espera que un solo pulso tarde solo una fracción de segundo en completarse.