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 transportar 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 un enfoque para utilizar la energía de fusión nuclear para proporcionar propulsión.
La principal ventaja de la fusión es su impulso específico muy alto , mientras que su principal desventaja es la (probablemente) gran masa del reactor. Un cohete de fusión puede producir menos radiación que un cohete de fisión , lo que reduce la masa protectora necesaria. La forma más sencilla de construir un cohete de fusión es utilizar bombas de hidrógeno como se propone en el Proyecto Orión , pero una nave espacial así sería enorme y el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares prohíbe el uso de tales bombas. Por esa razón, los cohetes basados en bombas probablemente se limitarían a operar únicamente en el espacio. Un enfoque alternativo utiliza propulsión eléctrica (por ejemplo, iones ) con energía eléctrica generada por fusión en lugar de 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 potencia que se puede generar (por ejemplo, un impulsor de masas ). Un generador eléctrico que funcione con energía de fusión podría impulsar un barco 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. [1]
Una posibilidad atractiva es dirigir el escape de fusión hacia la parte trasera del cohete para proporcionar empuje sin la producción intermedia de electricidad. Esto sería más fácil con algunos sistemas de confinamiento (por ejemplo, espejos magnéticos ) que con otros (por ejemplo, tokamaks ). También resulta más atractivo para los "combustibles avanzados" (ver fusión aneutrónica ). La propulsión de helio-3 utilizaría 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 en la Luna hay 1 millón de toneladas de helio-3 accesible. [2] Sólo el 20% de la energía producida por la reacción DT podría usarse de esta manera; mientras que el otro 80% se libera en forma de neutrones que, debido a que no pueden ser dirigidos por campos magnéticos o paredes sólidas, serían difíciles de dirigir hacia el empuje y, a su vez, pueden requerir blindaje . El helio-3 se produce mediante la desintegración beta del tritio , que puede producirse a partir de deuterio, litio o boro.
Incluso si no se puede producir una reacción de fusión autosostenida, podría ser posible utilizar la fusión para aumentar la eficiencia de otro sistema de propulsión, como un motor VASIMR . [ cita necesaria ]
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 empuje-peso parecería inaceptable. [ dudoso ] El Centro de Investigación Glenn de la NASA propuso en 2001 un reactor toroidal esférico de pequeña relación de aspecto para su diseño de vehículo conceptual "Discovery II". El "Discovery 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 de helio-3 - deuterio (D-He3). [3] El hidrógeno es calentado por los restos de plasma de fusión para aumentar el empuje, a costa de una velocidad de escape reducida (348-463 km/s) y, por tanto, de un aumento de la masa del propulsor.
La principal alternativa al confinamiento magnético es la fusión por confinamiento inercial (ICF), como la propuesta por el Proyecto Daedalus . Una pequeña pastilla de combustible de fusión (con un diámetro de un par de milímetros) se encendería mediante un haz de electrones o un láser . Para producir un empuje directo, se forma un campo magnético en la placa de empuje. En principio, se podría utilizar la reacción de helio-3-deuterio o una reacción de fusión aneutrónica para maximizar la energía de las partículas cargadas y minimizar la radiación, pero es muy cuestionable si utilizar estas reacciones es técnicamente viable. Tanto los estudios de diseño detallados de la década de 1970, el propulsor 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" (VISTA) propulsado por ICF. La nave espacial cónica VISTA podría entregar una carga útil de 100 toneladas a la órbita de Marte y regresar a la Tierra en 130 días, o a la órbita de Júpiter y regresar en 403 días. Se necesitarían 41 toneladas de combustible de fusión deuterio/ tritio (DT), más 4.124 toneladas de propulsor de hidrógeno. [4] La velocidad de escape sería de 157 km/s.
La fusión con objetivo magnetizado (MTF) es un enfoque relativamente nuevo que combina las mejores características de los enfoques más ampliamente estudiados de fusión por confinamiento magnético (es decir, buen confinamiento de energía) y fusión por confinamiento inercial (es decir, calentamiento por compresión eficiente y contención libre de paredes del plasma en fusión). Al igual que el enfoque magnético, el combustible de fusión está confinado a baja densidad mediante campos magnéticos mientras se calienta hasta convertirlo en plasma , pero al igual que 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. 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. [5] El grupo de Exploración de Planetas Exteriores Humanos (HOPE) de la 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 utilizando 106-165 toneladas métricas de propulsor (hidrógeno más DT o D- Combustible de fusión He3) en 249-330 días. [6] 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 los conceptos "Discovery II" y "VISTA" mencionados anteriormente.
Otro concepto de confinamiento popular para los 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 concepto de "Fusion Ship II" de 500 toneladas capaz de entregar una carga útil tripulada de 100.000 kg a Europa, la luna 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 un año al sistema de Júpiter. [7] Robert Bussard publicó una serie de artículos técnicos discutiendo 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 serviría para un cohete de fusión altamente efectivo. [8]
Un concepto aún más especulativo es la propulsión por pulsos nucleares catalizada por antimateria , que utilizaría antimateria para catalizar una reacción de fisión y fusión, permitiendo crear explosiones de fusión mucho más pequeñas. Durante la década de 1990 se llevó a cabo un esfuerzo de diseño fallido en la Universidad Penn State bajo el nombre AIMStar . [9] El proyecto requeriría más antimateria de la que somos capaces de producir. Además, es necesario superar algunos obstáculos técnicos antes de que sea viable. [10]