La propulsión nuclear de pulso catalizada por antimateria (también propulsión nuclear de pulso catalizada por antiprotones ) es una variación de la propulsión nuclear de pulso basada en la inyección de antimateria en una masa de combustible nuclear para iniciar una reacción nuclear en cadena para la propulsión cuando el combustible normalmente no tiene una masa crítica .
Técnicamente, el proceso no es una reacción "catalizada" porque los antiprotones (antimateria) utilizados para iniciar la reacción se consumen; si estuvieran presentes como catalizador, las partículas no se verían afectadas por el proceso y se utilizarían para iniciar reacciones posteriores. Aunque las partículas de antimateria pueden producirse en la propia reacción, no se utilizan para iniciar o mantener reacciones en cadena. [1] [2]
La propulsión nuclear típica por pulsos tiene la desventaja de que el tamaño mínimo del motor está definido por el tamaño mínimo de las bombas nucleares utilizadas para crear empuje, que es una función de la cantidad de masa crítica necesaria para iniciar la reacción. Un diseño de bomba termonuclear convencional consta de dos partes: la primaria , que casi siempre se basa en plutonio , y una secundaria que utiliza combustible de fusión, que normalmente es deuterio en forma de deuteruro de litio y tritio (que se crea durante la reacción cuando el litio se transmuta en tritio). Hay un tamaño mínimo para que la primaria (unos 10 kilogramos para el plutonio-239) alcance la masa crítica. Los dispositivos más potentes aumentan de tamaño principalmente mediante la adición de combustible de fusión para la secundaria. De los dos, el combustible de fusión es mucho menos costoso y emite muchos menos productos radiactivos, por lo que desde el punto de vista de los costos y la eficiencia, las bombas más grandes son mucho más eficientes. Sin embargo, el uso de bombas tan grandes para la propulsión de naves espaciales requiere estructuras mucho más grandes capaces de soportar la tensión. Existe una compensación entre las dos demandas.
Al inyectar una pequeña cantidad de antimateria en una masa subcrítica de combustible (normalmente plutonio o uranio ) se puede forzar la fisión del combustible. Un antiprotón tiene una carga eléctrica negativa , al igual que un electrón , y puede ser capturado de forma similar por un núcleo atómico cargado positivamente . Sin embargo, la configuración inicial no es estable e irradia energía en forma de rayos gamma . Como consecuencia, el antiprotón se acerca cada vez más al núcleo hasta que sus quarks pueden interactuar , momento en el que el antiprotón y un protón quedan aniquilados . Esta reacción libera una enorme cantidad de energía, de la cual una parte se libera en forma de rayos gamma y otra se transfiere como energía cinética al núcleo, lo que provoca su división (la reacción de fisión). La lluvia de neutrones resultante puede provocar que el combustible circundante sufra una rápida fisión o incluso una fusión nuclear .
El límite inferior del tamaño del dispositivo está determinado por cuestiones de manejo de antiprotones y requisitos de reacción de fisión, como la estructura utilizada para contener y dirigir la explosión. Por lo tanto, a diferencia del sistema de propulsión tipo Proyecto Orión , que requiere grandes cantidades de cargas explosivas nucleares, o de los diversos motores de antimateria, que requieren cantidades imposibles de antimateria, la propulsión nuclear por pulsos catalizada por antimateria tiene ventajas intrínsecas. [3]
Un diseño conceptual de un paquete de física de explosivos termonucleares catalizados por antimateria es uno en el que la masa primaria de plutonio, normalmente necesaria para la ignición en una explosión termonuclear convencional de Teller-Ulam , se reemplaza por un microgramo de antihidrógeno. En este diseño teórico, la antimateria se enfría con helio y se levita magnéticamente en el centro del dispositivo, en forma de una pastilla de una décima de milímetro de diámetro, una posición análoga al núcleo de fisión primario en el diseño de torta de capas/ Sloika . [4] [5] Como la antimateria debe permanecer alejada de la materia ordinaria hasta el momento deseado de la explosión, la pastilla central debe estar aislada de la esfera hueca circundante de 100 gramos de combustible termonuclear. Durante y después de la compresión implosiva por las lentes de alto explosivo , el combustible de fusión entra en contacto con el antihidrógeno. Las reacciones de aniquilación, que comenzarían poco después de que se destruya la trampa de Penning , deben proporcionar la energía para comenzar la fusión nuclear en el combustible termonuclear. Si el grado de compresión elegido es alto, se obtiene un dispositivo con mayores efectos explosivos/propulsivos, y si es bajo, es decir, el combustible no tiene una densidad alta, una cantidad considerable de neutrones escapará del dispositivo y se formará una bomba de neutrones . En ambos casos, el efecto del pulso electromagnético y la precipitación radiactiva son sustancialmente menores que los de un dispositivo de fisión convencional o Teller-Ulam del mismo rendimiento, aproximadamente 1 kt. [6]
En 2005 se calculó que el número de antiprotones necesarios para provocar una explosión termonuclear era de 10 18 , lo que significa cantidades de microgramos de antihidrógeno. [7]
También es posible ajustar el rendimiento de un vehículo espacial. La eficiencia de un cohete está estrechamente relacionada con la masa de la masa de trabajo utilizada, que en este caso es el combustible nuclear. La energía liberada por una masa dada de combustible de fusión es varias veces mayor que la liberada por la misma masa de un combustible de fisión. Para misiones que requieren períodos cortos de alto empuje, como misiones interplanetarias tripuladas, podría preferirse la microfisión pura porque reduce el número de elementos de combustible necesarios. Para misiones con períodos más largos de mayor eficiencia pero con menor empuje, como las sondas a planetas exteriores, podría preferirse una combinación de microfisión y fusión porque reduciría la masa total de combustible.
El concepto fue inventado en la Universidad Estatal de Pensilvania antes de 1992. Desde entonces, varios grupos han estudiado los motores de microfisión/fusión catalizados por antimateria en el laboratorio. [8] Se ha trabajado en la fusión iniciada por antiprotones en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore desde 2004. [9] En contraste con la gran masa, complejidad y potencia de recirculación de los impulsores convencionales para la fusión por confinamiento inercial (ICF), la aniquilación de antiprotones ofrece una energía específica de 90 MJ/μg y, por lo tanto, una forma única de empaquetamiento y entrega de energía. En principio, los impulsores de antiprotones podrían proporcionar una profunda reducción en la masa del sistema para la propulsión espacial avanzada por ICF.
El ICF impulsado por antiprotones es un concepto especulativo, y el manejo de antiprotones y la precisión requerida para su inyección (tanto en el tiempo como en el espacio) presentarán desafíos técnicos significativos. El almacenamiento y la manipulación de antiprotones de baja energía, particularmente en forma de antihidrógeno , es una ciencia en sus inicios, y se requeriría una gran ampliación de la producción de antiprotones en comparación con los métodos de suministro actuales para embarcarse en un programa serio de I+D para tales aplicaciones.
Un récord de almacenamiento de antimateria de poco más de 1000 segundos, logrado en las instalaciones del CERN durante 2011, fue en ese momento un salto monumental respecto de las escalas de tiempo de milisegundos que se podían lograr anteriormente. [10]
La producción mundial total de antiprotones en un período de un año es del orden de los nanogramos. La trampa de antimateria (versión Mark 1) de la Universidad Estatal de Pensilvania tiene capacidad para almacenar 10 mil millones de antiprotones durante un período de aproximadamente 168 horas. El Proyecto Ícaro ha estimado que el coste potencial de producción de un miligramo de antiprotón es de 100 mil millones de dólares. [11]