Un cohete de fusión es un diseño teórico de un cohete propulsado por fusión que podría proporcionar una aceleración eficiente y sostenida en el espacio sin necesidad de transportar una gran cantidad de combustible. El diseño requiere tecnología de energía de fusión que va 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 altísimo impulso específico , 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 sencilla de construir un cohete de fusión es utilizar bombas de hidrógeno como se propone en el Proyecto Orión , pero una nave espacial de este tipo sería enorme y el Tratado de Prohibición Parcial de los Ensayos 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, iónica ) con energía eléctrica generada por fusión en lugar de empuje directo.
Los métodos de propulsión de naves espaciales, como los propulsores iónicos, 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 funcione 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. [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 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 con 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 propulsor por la parte trasera de la nave espacial. El helio-3 se propone como fuente de energía para las naves espaciales principalmente debido a su abundancia lunar. Los científicos estiman que hay 1 millón de toneladas de helio-3 accesible en la Luna. [2] Solo 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, podrían requerir protección . 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 autosostenible, podría ser posible utilizar la fusión para aumentar la eficiencia de otro sistema de propulsión, como un motor VASIMR . [ cita requerida ]
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 – discutir ] El Centro de Investigación Glenn de la NASA propuso en 2001 un reactor de toro esférico de pequeña relación de aspecto para su diseño de vehículo conceptual "Discovery II". "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 del plasma de fusión para aumentar el empuje, a costa de una velocidad de escape reducida (348–463 km/s) y, por lo tanto, una mayor masa de propulsor.
La principal alternativa al confinamiento magnético es la fusión por confinamiento inercial (ICF), como la que propone 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, un campo magnético forma la placa impulsora. 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 que el uso de estas reacciones sea técnicamente factible. Ambos estudios de diseño detallados de la década de 1970, el motor Orion y 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 de objetivo magnetizado (MTF) es un enfoque relativamente nuevo que combina las mejores características de los enfoques más 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 sin paredes del plasma fusionante). Al igual que el enfoque magnético, el combustible de fusión se confina a baja densidad mediante campos magnéticos mientras se calienta hasta formar 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. La MTF utiliza "pistolas de plasma" (es decir, técnicas de aceleración electromagnética) en lugar de láseres potentes, lo que da lugar a reactores compactos de bajo costo y bajo peso. [5] El grupo de exploración de planetas exteriores humanos (HOPE) de la NASA/ MSFC ha investigado una nave espacial tripulada con propulsión MTF capaz de entregar una carga útil de 164 toneladas a la luna Calisto de Júpiter utilizando entre 106 y 165 toneladas métricas de propelente (hidrógeno más combustible de fusión DT o D-He3) en 249–330 días. [6] Por lo tanto, este diseño sería considerablemente más pequeño y más eficiente en términos de consumo de combustible debido a su mayor velocidad de escape (700 km/s) que los conceptos "Discovery II" y "VISTA" mencionados anteriormente.
Otro concepto popular de confinamiento para los cohetes de fusión es el confinamiento electrostático inercial (IEC), como en el caso del fusor Farnsworth-Hirsch o la variante 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 transportar una carga útil tripulada de 100.000 kg a la luna Europa de Júpiter en 210 días. Fusion Ship II utiliza propulsores de cohetes iónicos (velocidad de escape de 343 km/s) alimentados por diez reactores de fusión IEC D-He3. 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 en los que analizaba su aplicación a los vuelos espaciales a lo largo de la década de 1990. Su trabajo se popularizó gracias a un artículo en la publicación Analog Science Fiction and Fact , en el que Tom Ligon describía cómo el fusor sería un cohete de fusión muy eficaz. [8]
Un concepto aún más especulativo es la propulsión nuclear catalizada por antimateria , que utilizaría 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 Estatal de Pensilvania bajo el nombre de AIMStar . [9] El proyecto requeriría más antimateria de la que se puede producir actualmente. Además, es necesario superar algunos obstáculos técnicos antes de que sea factible. [10]