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miércoles, febrero 8, 2023
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Un reactor híbrido de fisión/fusión podría ser la mejor forma de atravesar el hielo de Europa

El principal desafío para explorar el interior de estos mundos es el espesor de sus capas de hielo, que pueden tener hasta 40 km

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En los próximos años, la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) enviarán dos misiones robóticas para explorar la luna helada Europa de Júpiter. Estos no son otros que el Europa Clipper de la NASA y el Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) de la ESA, que se lanzarán en 2024 y 2023 (respectivamente). Una vez que lleguen en la década de 2030, estudiarán la superficie de Europa con una serie de sobrevuelos para determinar si su océano interior podría albergar vida. Estas serán las primeras misiones de astrobiología a una luna helada en el sistema solar exterior, conocidas colectivamente como «mundos oceánicos».

Uno de los muchos desafíos para estas misiones es cómo minar a través de las gruesas cortezas heladas y obtener muestras del océano interior para su análisis. Según una propuesta de la Dra. Theresa Benyo (física e investigadora principal del proyecto de fusión por confinamiento de celosía en el Centro de Investigación Glenn de la NASA), una posible solución es usar un reactor especial que se base en reacciones de fisión y fusión. Esta propuesta fue seleccionada para el desarrollo de la Fase I por el programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA.

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La lista de mundos oceánicos es larga y variada, desde Ceres en el cinturón principal de asteroides, las lunas de Júpiter (Calisto, Ganímedes y Europa), Saturno (Titán, Encelado y Dione), la luna más grande de Neptuno (Tritón) y Plutón y otros cuerpos en el cinturón de Kuiper. Se cree que todos estos mundos tienen océanos interiores calentados por la flexión de las mareas debido a la interacción gravitatoria con su cuerpo original o (en el caso de Ceres y Plutón) la descomposición de elementos radiactivos. Otras pruebas de estos océanos y su actividad incluyen penachos superficiales y características estriadas que indican intercambios entre la superficie y el interior.

Esta vista en color reprocesada de la luna Europa de Júpiter se hizo a partir de imágenes tomadas por la nave espacial Galileo de la NASA a fines de la década de 1990. Crédito: NASA/JPL-Caltech

El principal desafío para explorar el interior de estos mundos es el espesor de sus capas de hielo, que pueden tener hasta 40 km (25 millas) de profundidad. En el caso de Europa, diferentes modelos han arrojado estimaciones de entre 15 y 25 km (10 y 15 mi). Además, la sonda propuesta deberá lidiar con hielo hidrostático con composiciones variables (como amoníaco y roca de silicato) a diferentes profundidades, presiones, temperaturas y densidades. También tendrá que lidiar con la presión del agua, mantener comunicaciones con la superficie y devolver muestras a la superficie.

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La NASA ha explorado la posibilidad de usar una sonda de calentamiento o perforación para pasar a través de la capa de hielo para acceder al océano interior. En particular, los investigadores propusieron usar una sonda de energía nuclear que dependería de la descomposición radiactiva para generar calor y derretir el hielo superficial. Sin embargo, un equipo de investigadores de la NASA dirigido por el Dr. Benyo ha propuesto un nuevo método que se basaría en algo más que isótopos radiactivos convencionales: plutonio-238 o uranio-235 enriquecido. En cambio, su método implicaría desencadenar reacciones de fusión nuclear entre los átomos de un metal sólido.

Su método, conocido como fusión de confinamiento de celosía, se describió en dos artículos publicados en la edición de abril de 2020 de Physical Review C, titulados «Reacciones de fusión nuclear en metales deuterados» y «Reacciones nucleares novedosas observadas en metales deuterados irradiados con bremsstrahlung». Como explicó el Dr. Benyo en un reciente comunicado de prensa del Centro de Investigación Glenn de la NASA:

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«Los científicos están interesados en la fusión, ya que podría generar enormes cantidades de energía sin crear subproductos radiactivos de larga duración. Sin embargo, las reacciones de fusión convencionales son difíciles de lograr y mantener porque dependen de temperaturas tan extremas para superar la fuerte repulsión electrostática entre cargas positivas. núcleos que el proceso no ha sido práctico».

Los métodos de fusión convencionales generalmente se reducen al confinamiento inercial o magnético. Con el confinamiento inercial, los combustibles como el deuterio o el tritio (hidrógeno-2 o -3) se comprimen a presiones extremas (durante nanosegundos) donde puede ocurrir la fusión. En el confinamiento magnético (reactores tokamak), el combustible se calienta hasta que alcanza temperaturas superiores a las que se dan en el centro del sol (15 millones de °C (27 millones de °F)) para lograr la fusión nuclear. Este nuevo método crea reacciones de fusión dentro de los límites de una red metálica cargada con combustible de deuterio a temperatura ambiente.

Este nuevo método crea un entorno energético dentro de la red donde los átomos individuales alcanzan energías cinéticas equivalentes al nivel de fusión. Esto se logra empaquetando las redes con deuterio a densidades mil millones de veces mayores que en los reactores tokamak, donde una fuente de neutrones acelera los átomos de deuterio (deuterones) hasta el punto de que chocan con los deuterones vecinos, provocando reacciones de fusión. Para sus experimentos, la Dra. Benyo y sus colegas expusieron deuterones a un haz de rayos X energéticos de más de 2,9 MeV, creando neutrones y protones energéticos.

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Este proceso podría permitir reacciones de fisión rápida utilizando redes construidas con metales como uranio empobrecido, torio o erbio (Er68) en una matriz de litio fundido. El equipo también observó la producción de neutrones más energéticos, lo que indica que impulsó las reacciones de fusión, también conocido como. En el proceso también se producen reacciones de separación nuclear Oppenheimer-Phillips (O-P). Según el Dr. Benyo, cualquiera de los procesos de fusión es escalable y podría ser un camino hacia un nuevo tipo de nave espacial de propulsión nuclear:

«El reactor nuclear de fisión rápida de fusión híbrida resultante será más pequeño que un reactor de fisión tradicional donde se necesita una fuente de energía de menor masa y proporcionará una operación eficiente con el calor residual térmico de la sonda de calor del reactor para derretir a través de la plataforma de hielo hasta los océanos bajo el hielo».

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Una ventaja adicional de este nuevo proceso es el papel fundamental que los electrones de la red metálica cuyas cargas negativas ayudan a «proteger» los deuterones cargados positivamente. De acuerdo con la teoría desarrollada por el físico teórico del proyecto, el Dr. Vladimir Pines, esta proyección permite que los deuterones adyacentes se acerquen más entre sí. Esto reduce la posibilidad de que se dispersen mientras aumenta la probabilidad de que atraviesen la barrera electrostática y promuevan reacciones de fusión. Según el investigador principal del proyecto de la NASA, el Dr. Bruce Steinetz, hay obstáculos que superar, pero el proyecto ha tenido un buen comienzo:

«Los hallazgos actuales abren un nuevo camino para iniciar reacciones de fusión para un mayor estudio dentro de la comunidad científica. Sin embargo, las velocidades de reacción deben aumentarse sustancialmente para lograr niveles de potencia apreciables, lo que puede ser posible utilizando varios métodos de multiplicación de reacciones bajo consideración».

Concepto artístico de una nave espacial de aterrizaje Europa propuesta. Crédito: NASA/JPL-Caltech
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Este tipo de proceso nuclear podría ser parte de un Europa Lander, una misión propuesta por la NASA que se basaría en la investigación realizada por Europa Clipper y JUICE. Con más estudio y desarrollo, esta tecnología también podría usarse para crear sistemas de energía para misiones de exploración de larga duración, similar al proyecto Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) de la NASA. La misma tecnología podría habilitar nuevos conceptos de motores como el de Propulsión Nuclear-Térmica y Nuclear-Eléctrica (NTP/NEP) que la NASA y otras agencias espaciales están investigando.

Finalmente, este método propuesto podría tener aplicaciones para la vida aquí en la Tierra, proporcionando un nuevo tipo de energía nuclear e isótopos médicos para la medicina nuclear. Como dijo Leonard Dudzinski, tecnólogo jefe de ciencia planetaria de la Dirección de Misiones Científicas (SMD) de la NASA,

«La clave de este descubrimiento ha sido el talentoso equipo multidisciplinario que NASA Glenn reunió para investigar las anomalías de temperatura y las transmutaciones de materiales que se habían observado con metales altamente deuterados. Necesitaremos ese enfoque para resolver importantes desafíos de ingeniería antes de que se pueda lograr una aplicación práctica». ser diseñado».

Con información de UniverseToday.com

SourceSKYCR.ORG
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Skycr_editorhttps://hdavila.com/
Homer Dávila. Máster en geología. Miembro de la International Meteor Organization. Astronomía, radioastronomía, cosmología y ciencia planetaria.
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