La propulsión por pulso nuclear o propulsión de 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 realizaron en el laboratorio desde finales de la década de 1940 hasta mediados de la década de 1950. [3]
El Proyecto Orión fue el primer intento serio de diseñar un cohete de pulso nuclear. A finales de los años 1950 y principios de los 1960 se formó un diseño en General Atomics , 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 maximizaban la transferencia de momento, lo que generaba impulsos específicos en el rango de 6.000 s (59 km/s) segundos, o aproximadamente trece veces el del 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 estaban en los millones de toneladas , lo que permitía naves espaciales de más de 8 × 10Se construirán 6 toneladas con materiales de 1958. [4]
El diseño de referencia debía construirse en acero utilizando una estructura de estilo submarino con una tripulación de más de 200 personas 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 de propulsión química de la NASA). La misma nave podría visitar las lunas de Saturno en una misión de siete meses (en comparación con las misiones de propulsión química 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 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, los EE. UU. 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 de más de 100 km (ver explosiones nucleares a gran altitud ). Las cuestiones éticas 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 la lluvia radiactiva de cada despegue causaría la muerte de aproximadamente 1 a 10 personas. [5] En un modelo de umbral, esos niveles extremadamente bajos de radiación finamente distribuida no tendrían efectos nocivos asociados, mientras que bajo los 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 sucias más eficientes y de mayor rendimiento para viajar reduciría significativamente la cantidad de contaminación radiactiva causada por un lanzamiento desde la Tierra.
Una misión útil sería desviar un asteroide o un cometa en curso de colisión con la Tierra, como se muestra de manera espectacular en la película de 1998 Impacto profundo . El alto rendimiento permitiría que incluso un lanzamiento tardío tuviera éxito, y el vehículo podría transferir de manera efectiva 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 vehículos espaciales interestelares que, en teoría, podrían construirse con la tecnología disponible, como se analiza en un artículo de 1968, "Interstellar Transport", de Freeman Dyson .
El Proyecto Dédalo fue un estudio realizado entre 1973 y 1978 por la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS) para diseñar una nave espacial interestelar no tripulada que pudiera llegar a 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 sobre la fusión parecía estar haciendo grandes avances y, en particular, la fusión por confinamiento inercial (ICF) parecía ser adaptable como motor de cohete.
El ICF utiliza pequeñas pastillas de combustible de fusión, normalmente deuteruro de litio ( 6 Li 2 H) con un pequeño disparador de deuterio / tritio en el centro. Las pastillas se lanzan a una cámara de reacción donde son golpeadas por todos lados por láseres u otra forma de energía emitida. 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 requeriría para crear la cantidad necesaria de fisión.
En el caso del Dédalo, este proceso se llevaría a cabo dentro de un gran electroimán que formaría el motor del cohete. Después de la reacción, encendida por haces de electrones, el imán canalizaría el gas caliente hacia la parte trasera para generar empuje. Parte de la energía se desviaría para hacer funcionar los sistemas y el motor de la nave. Para que el sistema fuera seguro y energéticamente eficiente, el Dédalo se alimentaría con un combustible de helio-3 recogido 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 por delante, unida por cables independientes, y luego lanzaría explosivos nucleares hacia adelante para detonar entre ella y su vela. La vela se aceleraría por el plasma y el impulso fotónico, haciendo que se desenrollen 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 enrollarse hacia la vela, acelerando de manera constante y suave a medida que avanza. [11]
En el diseño original, se conectaban múltiples correas a múltiples generadores de motor. La ventaja sobre la correa única es que aumenta la distancia entre la explosión y las correas, lo que reduce el daño a las correas.
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 . [12]
El Medusa tiene un mejor rendimiento que el diseño clásico Orion porque su vela intercepta más impulso explosivo, su recorrido de amortiguación 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 desarrollar 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 por 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 los Estados Unidos a fines de la década de 1980. [15] Longshot fue en cierto modo un desarrollo del concepto básico de Daedalus, ya que utilizó ICF con canal magnético. La diferencia clave fue que consideraron que la reacción no podría impulsar 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 adicional del reactor redujo un poco el rendimiento, pero incluso utilizando combustible LiD podría llegar a la estrella vecina Alpha 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 los años 90, 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 desintegraría el núcleo como en las reacciones nucleares convencionales. Incluso una pequeña cantidad de tales reacciones puede iniciar la reacción en cadena que, de otro modo, requeriría un volumen mucho mayor de combustible para sostenerse. Mientras que la masa crítica "normal" del plutonio es de unos 11,8 kilogramos (para una esfera a densidad estándar), con reacciones catalizadas por antimateria podría ser muy inferior a un gramo.
Se propusieron varios diseños de cohetes que utilizaban esta reacción, algunos de los cuales utilizarían reacciones de fisión total para misiones interplanetarias y otros utilizarían fisión-fusión (efectivamente una versión muy pequeña de las bombas de Orión) para misiones interestelares.
En 2011, la NASA financió a MSNW LLC y a la Universidad de Washington para estudiar y desarrollar un cohete de fusión a través del Programa de Conceptos Avanzados Innovadores NIAC de la NASA . [17]
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 aplastados. El metal ionizado caliente sale disparado de una boquilla de cohete magnética 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 autosostenible y requiere energía eléctrica para explotar cada pulso. Con requisitos eléctricos estimados entre 100 kW y 1000 kW (300 kW de media), los diseños incorporan paneles solares para producir la energía necesaria. [16]
La compresión de los revestimientos de aluminio crea la fusión a 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 final fue utilizar revestimientos de litio. [19] [20]
Las características de rendimiento dependen del factor de ganancia de energía de fusión alcanzado 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 mayor velocidad de escape, un mayor impulso específico y menores requisitos de energía eléctrica. La siguiente tabla resume diferentes características de rendimiento para una transferencia teórica de 90 días a Marte 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. Planeaban combinar las dos tecnologías para realizar una prueba antes de fines 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 del estrés extremo inducido en la contención por un motor tipo Orion al expulsar el plasma obtenido de pequeñas pastillas de combustible que experimentan reacciones de fisión y fusión autocatalíticas iniciadas por un Z-pinch . Es 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 Z-pinch, pero acoplada a 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 el objetivo , que sufre fusión, y una vaina circundante de U-235 que sufre fisión envuelta por un revestimiento de litio. El litio líquido, que sirve como moderador, llena el espacio entre el cilindro DT y la vaina de uranio. Se hace pasar corriente a través del litio líquido, se genera una fuerza de Lorentz que luego comprime el plasma DT por un factor de 10 en lo que se conoce como un Z-pinch. 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 de U-235. El calor resultante hace que la vaina se expanda, aumentando su velocidad de implosión sobre el núcleo DT y comprimiéndolo aún más, liberando más neutrones rápidos. Estos a su vez amplifican la tasa de fisión en la vaina, haciendo 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. [25] [26] Al igual que en un cohete de fusión magnetoinercial, el rendimiento del motor depende del grado en que se aumenta la ganancia de fusión del objetivo DT.
Un "pulso" 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 Aérea Kirtland, Nuevo México, Comando de Sistemas de la Fuerza Aérea, USAF, bajo el Contrato AF29(601)-6214.
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