La propulsión por impulsos nucleares o propulsión por plasma pulsado externo es un método hipotético de propulsión de naves espaciales que utiliza explosiones nucleares para el empuje . [1] Se originó como Proyecto Orión con el apoyo de DARPA , después de una sugerencia de Stanislaw Ulam en 1947. [2] Los diseños más nuevos que utilizan fusión por confinamiento inercial han sido la base para la mayoría de los diseños posteriores, incluidos el Proyecto Daedalus y el Proyecto Longshot .
Los cálculos para el uso potencial de esta tecnología se hicieron en el laboratorio desde finales de los años cuarenta hasta mediados de los cincuenta. [3]
El Proyecto Orión fue el primer intento serio de diseñar un cohete de pulso nuclear. Se formó un diseño en General Atomics a finales 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 empujadora de acero unida a la nave espacial con amortiguadores. . Los explosivos direccionales eficientes maximizaron la transferencia de impulso, generando impulsos específicos en el rango de 6.000 s (59 km/s) segundos, o aproximadamente trece veces más que el motor principal del transbordador espacial . Con mejoras, podría ser posible un impulso específico máximo teórico de 100.000 s (980 km/s) (1 MN·s/kg). Los empujes fueron de millones de toneladas , lo que permitió que naves espaciales de más de 8 × 106 toneladas para construir con materiales de 1958. [4]
El diseño de referencia debía construirse en acero mediante una construcción de estilo submarino con una tripulación de más de 200 personas y un vehículo con un peso de despegue 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 impulsada químicamente). La misma nave podría visitar las lunas de Saturno en una misión de siete meses (en comparación con misiones impulsadas químicamente que duran aproximadamente nueve años). Los problemas de ingeniería notables que ocurrieron estuvieron relacionados con el blindaje de la tripulación y la vida útil de la placa de empuje.
Aunque el sistema parecía viable, el proyecto se cerró en 1965, principalmente porque el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares lo hizo ilegal; De hecho, antes del tratado, Estados Unidos y la Unión Soviética ya habían detonado por separado un número combinado de al menos nueve bombas nucleares, incluidas termonucleares, en el espacio, es decir, a altitudes superiores a 100 km (véase explosiones nucleares a gran altitud ). Cuestiones éticas complicaron el lanzamiento de un vehículo de este tipo dentro de la magnetosfera terrestre : los cálculos utilizando el (disputado) modelo lineal sin umbral de daños por radiación mostraron que las consecuencias de cada despegue causarían la muerte de aproximadamente entre 1 y 10 personas. [5] En un modelo de umbral, niveles tan extremadamente bajos de radiación finamente distribuida no tendrían efectos nocivos asociados, mientras que en modelos de hormesis , dosis tan pequeñas serían insignificantemente beneficiosas. [6] [7] El uso de bombas nucleares limpias menos eficientes para alcanzar la órbita y luego bombas más eficientes y sucias 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, como se describe 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. [8] 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.
Orión es uno de los pocos motores espaciales interestelares que teóricamente podrían construirse con la tecnología disponible, como se analiza en un artículo de 1968, "Interstellar Transport" de Freeman Dyson .
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. En el proyecto trabajaron una docena de científicos e ingenieros dirigidos por Alan Bond . En aquel momento, la investigación sobre la fusión parecía estar dando grandes pasos y, en particular, la fusión por confinamiento inercial (ICF) parecía poder adaptarse como motor de cohete.
ICF utiliza pequeñas bolitas 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 arrojan a una cámara de reacción donde son golpeados por todos lados por láseres u otra forma de radiación de energía. El calor generado por los rayos comprime explosivamente la pastilla hasta el punto en que se produce la fusión. El resultado es un plasma caliente y una "explosión" muy pequeña en comparación con la bomba de tamaño mínimo que se necesitaría para crear la cantidad necesaria de fisión.
Para Daedalus, este proceso debía realizarse 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 impulsarlo. Parte de la energía se desvió para hacer funcionar los sistemas y el motor del barco. Para que el sistema fuera seguro y energéticamente eficiente, Daedalus debía funcionar con un combustible de helio-3 extraído de Júpiter .
El diseño de Medusa tiene más en común con las velas solares que con los cohetes convencionales. Fue concebido por Johndale Solem [9] en la década de 1990 y publicado en el Journal of the British Interplanetary Society (JBIS). [10]
Una nave espacial Medusa desplegaría una gran vela delante de ella, unida por cables independientes, y luego lanzaría explosivos nucleares hacia adelante para detonarlos entre ella y su vela. La vela sería acelerada por el plasma y el impulso fotónico, soltando las ataduras como cuando un pez huye de un pescador, generando electricidad en el "carrete". La nave espacial utilizaría parte de la electricidad generada para girar hacia la vela, acelerando constantemente y suavemente a medida que avanza. [11]
En el diseño original, varias ataduras estaban conectadas 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 materiales lunares, por ejemplo, envolviendo el explosivo con roca lunar o agua, almacenado previamente en un punto estable de Lagrange . [12]
Medusa funciona mejor que el diseño clásico de Orion porque su vela intercepta más impulso explosivo, el recorrido de su 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 generar un impulso específico de 50.000 a 100.000 s (490 a 980 km/s) (500 a 1000 kN·s/kg).
Medusa se hizo ampliamente conocida entre el público en el documental de la BBC To Mars By A-Bomb: The Secret History of Project Orion . [13] 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". [14]
El Proyecto Longshot fue un proyecto de investigación patrocinado por la NASA y llevado a cabo en conjunto con la Academia Naval de Estados Unidos a finales de los años 1980. [15] 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 incluía 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 podría 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).
A mediados de la década de 1990, una investigación en la Universidad Estatal de Pensilvania condujo al concepto de utilizar 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 un pequeño número de reacciones de este tipo puede iniciar una reacción en cadena que, de otro modo, requeriría un volumen mucho mayor de combustible para mantenerse. Mientras que la masa crítica "normal" del plutonio es de unos 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 utilizan esta reacción, algunos que utilizarían reacciones totalmente de fisión para misiones interplanetarias y otros que utilizarían fisión-fusión (efectivamente una versión muy pequeña de las bombas de Orión) para misiones interestelares.
La NASA financió MSNW LLC y la Universidad de Washington en 2011 para estudiar y desarrollar un cohete de fusión a través del Programa NIAC de Conceptos Avanzados Innovadores de la NASA . [17]
El cohete utiliza una forma de fusión magnetoinercial para producir un cohete de fusión de empuje directo. Los campos magnéticos hacen que grandes anillos metálicos 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 desde una boquilla de cohete magnético a gran velocidad (hasta 30 km/s). Repetir este proceso aproximadamente cada minuto aceleraría o desaceleraría la nave espacial. [18] La reacción de fusión no es autosostenida y requiere energía eléctrica para explotar cada pulso. Con necesidades eléctricas estimadas entre 100 kW y 1000 kW (300 kW en promedio), los diseños incorporan paneles solares para producir la energía requerida. [dieciséis]
La compresión del revestimiento de aluminio crea fusión en la escala de energía adecuada. La prueba de concepto del experimento en Redmond, Washington, consistió en utilizar revestimientos de aluminio para la compresión. Sin embargo, el diseño final fue utilizar revestimientos de litio. [19] [20]
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 menores requisitos de energía eléctrica. La siguiente tabla resume diferentes características de rendimiento para una transferencia teórica a Marte de 90 días con ganancias de 20, 40 y 200.
En abril de 2013, MSNW había demostrado los subcomponentes de los sistemas: calentar plasma de deuterio hasta temperaturas de fusión y concentrar los campos magnéticos necesarios para crear la fusión. Planearon juntar las dos tecnologías para una prueba antes de finales de 2013. [16] [21] [22]
La propulsión por fisión-fusión pulsada (PuFF) se basa en principios similares a la fusión magnetoinercial. Su objetivo es resolver el problema de la tensión extrema inducida en la contención por un motor tipo Orion expulsando el plasma obtenido de pequeñas pastillas de combustible que sufren reacciones autocatalíticas de fisión y fusión iniciadas por un pellizco en Z. Se trata de un sistema de propulsión teórico investigado a través del Programa NIAC de la Universidad de Alabama en Huntsville . [23] Es en esencia un cohete de fusión que utiliza una configuración de pellizco en Z, 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, [24] consta de dos componentes: un cilindro de plasma de deuterio-tritio (DT), llamado objetivo , que se fusiona, y una vaina circundante de U-235 que se 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. Al pasar corriente 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 pellizco en 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 vaina se expanda, aumentando su velocidad de implosión en el núcleo DT y comprimiéndolo aún más, liberando más neutrones rápidos. Estos nuevamente amplifican la velocidad de fisión en la vaina, haciendo que el proceso sea autocatalítico. Se espera que esto dé como resultado un quemado completo tanto del combustible de fisión como de fusión, haciendo que PuFF sea más eficiente que otros conceptos de pulso nuclear. [25] [26] Al igual que en un cohete de fusión magnetoinercial, el rendimiento del motor depende del grado en que aumenta la ganancia de fusión del objetivo DT.
Un "impulso" consiste en la inyección de una pastilla de combustible en la cámara de combustión, su consumo mediante una serie de reacciones de fisión-fusión y, finalmente, la expulsión del plasma liberado a través de una boquilla magnética, generando así empuje. Se espera que un solo pulso tarde sólo una fracción de segundo en completarse.
La investigación analizada en este artículo fue patrocinada por el Centro de Armas Especiales de la Fuerza Aérea, Base de la Fuerza Aérea de Kirtland, Nuevo México, Comando de Sistemas de la Fuerza Aérea, USAF, bajo el Contrato AF29(601)-6214.
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