Misiones a la Luna, misiones a Marte, exploradores robóticos al sistema solar exterior, una misión a la estrella más cercana y tal vez incluso una nave espacial para alcanzar objetos interestelares que pasan por nuestro sistema. Si cree que esto suena como una descripción de la próxima era de la exploración espacial, entonces estaría en lo cierto.
En este momento, existen múltiples planes y propuestas para misiones que enviarán astronautas y/o sondas a todos estos destinos para realizar algunas de las investigaciones científicas más lucrativas jamás realizadas. Naturalmente, estos perfiles de misión plantean todo tipo de desafíos, uno de los cuales es la propulsión.
En pocas palabras, la humanidad está alcanzando los límites de lo que puede hacer la propulsión convencional (química). Para enviar misiones a Marte y otros destinos en el espacio profundo, se requieren tecnologías de propulsión avanzadas que ofrezcan alta aceleración (delta-v), impulso específico (Isp) y eficiencia de combustible.
En un artículo reciente, el profesor de Leiden, Florian Neukart, propone cómo las misiones futuras podrían depender de un novedoso concepto de propulsión conocido como Magnetic Fusion Plasma Drive (MFPD). Este dispositivo combina aspectos de diferentes métodos de propulsión para crear un sistema que ofrece una alta densidad de energía y una eficiencia de combustible significativamente mayor que los métodos convencionales. El artículo se publicó en el servidor de preimpresión arXiv.
Florian Neukart es profesor asistente en el Instituto Leiden de Ciencias de la Computación Avanzada (LIACS) de la Universidad de Leiden y miembro de la junta directiva del desarrollador suizo de tecnología cuántica Terra Quantum AG.
La preimpresión de su artículo se está revisando para su publicación. Según Neukart, las tecnologías que pueden superar la propulsión química convencional (PCC) son primordiales en la era actual de la exploración espacial. En particular, estas tecnologías deben ofrecer mayor eficiencia energética, empuje y capacidad para misiones de larga duración.
Esto es especialmente cierto en el caso de las misiones a Marte y otros lugares más allá del sistema Tierra-Luna, que plantean graves riesgos para la salud, la seguridad y el bienestar de los astronautas. Incluso cuando la Tierra y Marte están en su punto más cercano cada 26 meses (una oposición de Marte), puede llevar hasta nueve meses realizar un tránsito de ida al planeta.
Combinadas con operaciones en superficie que podrían durar hasta un año y el viaje de regreso de nueve meses, las misiones a Marte podrían durar hasta 900 días. Durante este tiempo, los astronautas estarán expuestos a niveles elevados de radiación cósmica y solar, sin mencionar el costo que tendrán en sus cuerpos los largos períodos en microgravedad.
De ahí que la NASA y otras agencias espaciales estén investigando activamente medios alternativos de propulsión. Como se señaló en un artículo anterior, “¿Cuánto tiempo tomaría viajar a la estrella más cercana?”, estos conceptos también se consideran medios potenciales para lograr viajes interestelares durante décadas.
Incluyen conceptos de bajo consumo de combustible como la propulsión eléctrica o iónica, que utilizan campos electromagnéticos para ionizar el propulsor inerte (como el gas xenón) y acelerarlo a través de boquillas para generar empuje. Sin embargo, estos conceptos generalmente producen un empuje bajo y deben depender de fuentes de energía pesadas (paneles solares o reactores nucleares) para generar más.
Las velas solares son otra opción, que pueden generar una aceleración continua sin requerir propulsor (ahorrando así masa). Sin embargo, las misiones equipadas con esta tecnología tienen un empuje limitado y deben operar más cerca del sol. Una variación de la idea es emplear conjuntos de láseres de energía de gigavatios (GWe) para acelerar naves espaciales equipadas con velas a velocidades relativistas (una fracción de la velocidad de la luz). Sin embargo, este concepto requiere una infraestructura costosa y enormes cantidades de energía para que sea viable.
Otro concepto popular es la propulsión térmica nuclear (NTP), que la NASA y DARPA están desarrollando actualmente en forma del cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares (DRACO). Este método se basa en un reactor nuclear para calentar el propulsor (como el hidrógeno líquido), lo que hace que se expanda a través de boquillas para generar empuje. Los beneficios de NTP incluyen una densidad de energía muy alta y una aceleración significativa, pero también conlleva numerosos desafíos técnicos y de seguridad relacionados con el manejo y lanzamiento de materiales nucleares.
También existen conceptos de propulsión que aprovechan las reacciones de fusión, como las reacciones deuterio-tritio (D-T) y deuterio-hidrógeno tres (D-He3), algo con lo que los científicos teóricos han estado trabajando durante décadas. Estos métodos ofrecen el potencial de un alto empuje y un impulso específico extremadamente alto, pero también presentan desafíos técnicos, entre ellos el manejo del combustible necesario y el logro de reacciones de fusión sostenidas y controladas.
También hay conceptos más exóticos, como la propulsión de antimateria y el Alcubierre Warp Drive, pero ninguno de ellos estará disponible en el futuro previsible.
Y está la propuesta de Neukart, que combina elementos de propulsión por fusión, propulsión iónica y otros conceptos. Como explicó a Universe Today por correo electrónico:
“El MFPD es un sistema de propulsión para la exploración espacial, que utiliza reacciones de fusión nuclear controladas como fuente de energía primaria tanto para el empuje como para la generación potencial de energía eléctrica. El sistema se basa en aprovechar la inmensa energía producida por las reacciones de fusión, que generalmente involucran isótopos de hidrógeno o helio, para producir un escape de partículas a alta velocidad, generando así empuje según la tercera ley de Newton.
“El plasma de las reacciones de fusión se confina y manipula mediante campos magnéticos, lo que garantiza una liberación y direccionalidad controladas de energía. Al mismo tiempo, el concepto MFPD prevé la posibilidad de convertir parte de la energía de fusión en energía eléctrica para sustentar los sistemas a bordo y posiblemente el sistema de control de la reacción. de la nave espacial.”
Para desarrollar este concepto, Nuekart comenzó con reacciones de fusión deuterio-tritio (D-T), ya que es una de las reacciones más investigadas y comprendidas y ofrece una base clara y familiar para elaborar los principios básicos y la mecánica de MFPD.
Además, añadió Neukart, las reacciones D-T tienen temperaturas de ignición relativamente bajas y una sección transversal más alta que otros conceptos, lo que las convierte en un buen “punto de partida”. Por lo tanto, proporcionan un punto de referencia útil para medir y comparar el rendimiento de este sistema de propulsión teórico.
Sin embargo, el objetivo final de MFPD es aprovechar la fusión aneutrónica (p-B11), donde muy poca energía liberada por las reacciones es transportada por neutrones. Las reacciones aneutrónicas, por el contrario, liberan energía en forma de partículas cargadas (normalmente protones o partículas alfa), lo que reduce significativamente el nivel de radiación de neutrones producida.
Las ventajas de este sistema son inmediatamente evidentes, ya que combina un alto impulso específico y una inmensa densidad de energía y proporciona empuje y potencia desde una única fuente de energía. Otros beneficios, dijo Neukert, incluyen los siguientes:
Impulso específico alto: el MFPD puede proporcionar un impulso específico alto, generando un cambio de velocidad sustancial (delta-v) a la nave espacial, facilitando las misiones a cuerpos celestes distantes.
Combustible de gran densidad energética: El combustible de fusión, al igual que los isótopos de hidrógeno, tiene una increíble densidad energética, lo que potencialmente permite misiones prolongadas sin necesidad de grandes cantidades de propulsor.
Fracciones de masa más bajas: la nave espacial podría diseñarse con fracciones de masa más bajas dedicadas al almacenamiento de combustible, lo que permitiría una mayor asignación de masa para instrumentos científicos o tecnologías adicionales.
Doble utilidad: el MFPD no es sólo un sistema de propulsión; También se prevé que proporcione energía eléctrica a los sistemas e instrumentos de la nave espacial, lo cual es crucial para misiones de larga duración.
Adaptabilidad: El potencial para ajustar el empuje y el impulso específico, ofreciendo versatilidad para diferentes fases de la misión, como aceleración, crucero y desaceleración.
Reducción del tiempo de viaje: el potencial de un mayor empuje continuo puede reducir significativamente los tiempos de tránsito a destinos distantes, mitigando los riesgos relacionados con la exposición a la radiación cósmica y la gestión de recursos a bordo.
Protección contra la radiación: aunque es un desafío, las estructuras magnéticas y físicas inherentes podrían diseñarse para proporcionar cierto nivel de protección contra la radiación para la nave espacial y la tripulación, utilizando el plasma y los campos magnéticos.
Independencia de la proximidad solar: a diferencia de las velas solares o la propulsión eléctrica solar, el MFPD no depende de la proximidad al sol; por lo tanto, es viable para misiones al sistema solar exterior y más allá.
Riesgo minimizado de contaminación nuclear: en comparación con los conceptos nuclear-térmico o de fisión-eléctrica, el MFPD podría diseñarse para minimizar el riesgo de contaminación radiactiva, dado que la fusión, en general, requiere menos material radiactivo y potencialmente permite un cierre más seguro del reactor.
En cuanto a las implicaciones que este sistema podría tener para la exploración espacial, Nuekart destacó la capacidad de recorrer grandes distancias cósmicas en tiempos reducidos, ampliando los perfiles de las misiones (tránsitos rápidos a otros planetas del sistema solar y misiones interestelares), mitigando los riesgos de misiones de larga duración. misiones espaciales (exposición a radiación y microgravedad), revolucionando el diseño de naves espaciales al proporcionar propulsión y energía eléctrica simultáneamente y mejorando las capacidades de exploración humana.
Más allá de eso, también prevé el potencial de beneficios tecnológicos en ciencia de materiales, física del plasma y producción de energía que podrían tener aplicaciones aquí en la Tierra. El desarrollo de este sistema también podría fomentar colaboraciones internacionales, reuniendo a expertos y recursos de múltiples campos para lograr objetivos exploratorios comunes.
Por supuesto, ninguna propuesta de tecnología de próxima generación estaría completa sin algunas advertencias y adiciones. Por ejemplo, dijo Nuekart, el principal desafío para la propulsión del MFPD radica en lograr y mantener relaciones de fusión estables en el espacio.
En la Tierra, los investigadores han logrado avances considerables con el confinamiento magnético (MCF) y la fusión por confinamiento inercial (ICF). El primero implica reactores Tokamok que utilizan campos magnéticos para confinar la fusión en forma de plasma, mientras que el segundo se basa en láseres para comprimir y calentar tabletas de combustible D-T.
Sin embargo, no se han realizado experimentos similares en el espacio, lo que genera dudas sobre cómo manejará el sistema el calor causado por las reacciones, la radiación resultante y las implicaciones estructurales para las naves espaciales. Sin embargo, ya están en marcha las pruebas nucleares en el espacio (el ya mencionado demostrador DRACO).
Dados los beneficios de la propulsión por fusión, no es probable que permanezca en la mesa de dibujo por mucho tiempo. En última instancia, dice Nuekart, la investigación sobre MFPD tiene como objetivo establecer un camino que conduzca a la exploración interplanetaria y (algún día) interestelar:
“Si bien el viaje para hacer realidad el concepto MFPD estará innegablemente plagado de desafíos y obstáculos científicos, la recompensa potencial es monumental. Lograr una propulsión de fusión confiable, efectiva y eficiente podría redefinir los límites de los objetivos alcanzables, impulsando a la humanidad hacia una nueva era de exploración. , descubrimiento y comprensión del cosmos.”
“La esperanza es que la investigación siembre curiosidad, innovación y determinación entre científicos, ingenieros y exploradores de todo el mundo, trazando el rumbo hacia nuestro futuro entre las estrellas”.
Con información de arXiv
