Direct Fusion Drive ( DFD ) es un motor de cohete de fusión nuclear conceptual de baja radiactividad , diseñado para producir tanto empuje como energía eléctrica, adecuado para naves espaciales interplanetarias . El concepto se basa en el reactor de configuración de campo invertido de Princeton , inventado en 2002 por Samuel A. Cohen. Está siendo modelado y probado experimentalmente en Princeton Plasma Physics Laboratory , una instalación del Departamento de Energía de EE. UU. , así como modelado y evaluado por Princeton Satellite Systems (PSS). [1] [2] A partir de 2018, se dice que un proyecto de propulsión de fusión directa impulsado por la NASA ha entrado en su fase de simulación, presentada como la segunda fase de la evolución del concepto. [3]
El sistema de propulsión de fusión directa (DFD, por sus siglas en inglés) es un sistema teórico de propulsión de naves espaciales que debe su nombre a su capacidad única de generar empuje directamente a partir de la fusión nuclear , evitando la necesidad de un proceso intermedio de generación de electricidad. Mediante un mecanismo de confinamiento y calentamiento magnético, el DFD funciona con una mezcla de helio-3 (3He) y deuterio (D o 2H), lo que da como resultado un sistema de propulsión caracterizado por una alta potencia específica, empuje variable, impulso específico y emisiones mínimas de radiación del sistema de propulsión de naves espaciales. [4]
En el DFD, el plasma , una colección de partículas cargadas eléctricamente que incluye electrones e iones, se fusiona a altas temperaturas (100 keV), liberando enormes cantidades de energía. El plasma está confinado en un campo magnético tipo toro dentro de una bobina solenoidal lineal [5] y se calienta mediante un campo magnético giratorio a temperaturas de fusión relevantes. [4] La radiación de frenado y la radiación de sincrotrón emitidas desde el plasma se capturan y se convierten en electricidad para las comunicaciones, el mantenimiento de la posición de la nave espacial y el mantenimiento de la temperatura del plasma. [6] Este diseño utiliza una "antena" de radiofrecuencia (RF) de forma especial para calentar el plasma. [7] El diseño incluye una batería recargable o una unidad de energía auxiliar de deuterio -oxígeno para poner en marcha o reiniciar la unidad. [4]
La energía radiada capturada calienta un fluido He-Xe que fluye fuera del plasma a 1500 K (1230 °C; 2240 °F) en una estructura que contiene boro. Esa energía se hace pasar por un generador de ciclo Brayton de circuito cerrado para transformarla en electricidad que se utiliza para energizar las bobinas, alimentar el calentador de RF, cargar la batería, las comunicaciones y las funciones de mantenimiento de la posición. [4]
La adición de propulsor al flujo de plasma del borde da como resultado un empuje variable y un impulso específico cuando se canaliza y acelera a través de una boquilla magnética ; este flujo de momento que pasa por la boquilla es transportado predominantemente por los iones a medida que se expanden a través de la boquilla magnética y más allá, y por lo tanto, funcionan como un propulsor de iones . [4]
La construcción del dispositivo de investigación experimental y la mayoría de sus operaciones iniciales fueron financiadas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . Los estudios recientes (Fase I y Fase II) fueron financiados por el programa del Instituto de Conceptos Avanzados (NIAC) de la NASA. [7] Se publicó una serie de artículos sobre el concepto entre 2001 y 2008; los primeros resultados experimentales se informaron en 2007. Se publicaron numerosos estudios de misiones espaciales (Fase I) a partir de 2012. En 2017, Princeton Satellite Systems informó que "los estudios de calentamiento de electrones con este método han superado las predicciones teóricas y se están realizando experimentos para medir el calentamiento de iones en la máquina de segunda generación". [4]
A partir de 2018, el concepto pasó a la Fase II, una fase de simulación. [8] [9] La unidad de tamaño real mediría aproximadamente 2 m de diámetro y 10 m de longitud. [10] PSS informó que el calentamiento de electrones en PFRC-2 superó las predicciones teóricas, alcanzando 500 eV con longitudes de pulso de 300 ms. Los experimentos de calentamiento de iones están en curso a partir de 2020. [11]
Stephanie Thomas es vicepresidenta de Princeton Satellite Systems y la investigadora principal del Direct Fusion Drive. [12]
Princeton Satellite Systems estima que el Direct Fusion Drive puede ser capaz de producir entre 5 y 10 Newtons [4] de empuje por cada MW de energía de fusión generada, [9] con un impulso específico (I sp ) de aproximadamente 10 000 segundos y 200 kW disponibles como energía eléctrica. [8] Aproximadamente el 35 % de la energía de fusión se destina al empuje, el 30 % a la energía eléctrica, el 25 % se pierde en calor y el 10 % se recircula para el calentamiento por radiofrecuencia. [4]
El modelo de la compañía muestra que esta tecnología podría propulsar una nave espacial con una masa de aproximadamente 1.000 kg (2.200 lb) a Plutón en cuatro años, [8] lo que permitiría misiones al espacio profundo. [13] El DFD genera energía adicional, por lo que puede proporcionar aproximadamente 2 MW de potencia a las cargas útiles a su llegada. Esto permite más opciones para la selección de instrumentos y comunicaciones láser/ópticas , [4] [8] e incluso podría transferir hasta 50 KW de potencia desde el orbitador al módulo de aterrizaje a través de un rayo láser que opera a una longitud de onda de 1080 nm. [4]
Princeton Satellite Systems afirma que esta tecnología puede ampliar la capacidad científica de las misiones planetarias. [8] Se ha sugerido que esta tecnología de energía/propulsión se utilice en una misión de orbitador y módulo de aterrizaje de Plutón , [4] [8] o como integración en la nave espacial Orion para transportar una misión tripulada a Marte en un marco de tiempo más rápido [14] [15] (4 meses en lugar de los 9 con la tecnología actual). [10] Se proyecta que DFD entregará cargas útiles científicas a Titán en 2,6 años. [16]