Florian Neukart, profesor asistente en el Instituto Leiden, propuso el Magnetic Fusion Plasma Drive (MFPD), un nuevo método de propulsión espacial. Este concepto combina propulsión de fusión nuclear, propulsión de iones y otras tecnologías, y se espera que logre una alta densidad energética y eficiencia de combustible.
Florian Neukart presenta el Magnetic Fusion Plasma Drive, un método de propulsión revolucionario que combina tecnologías de fusión nuclear y de iones. Tiene una enorme densidad de energía y numerosas ventajas que podrían redefinir la exploración espacial, aunque todavía existen desafíos para sostener reacciones de fusión nuclear en el espacio.
Misiones a la Luna, misiones a Marte, exploradores robóticos del sistema solar exterior, misiones a las estrellas más cercanas e incluso naves espaciales que persiguen objetos interestelares que pasan por nuestro sistema. Si estás pensando que esto suena como una descripción de la próxima era de la exploración espacial, ¡estarías en lo cierto! Actualmente, existen múltiples planes y propuestas para enviar astronautas y/o sondas a todos estos destinos para realizar algunas de las investigaciones científicas más lucrativas jamás realizadas. Naturalmente, el perfil de estas misiones presenta varios desafíos, uno de los cuales es la cuestión del avance.
En resumen, la humanidad ha llegado a los límites de los propulsores (químicos) convencionales. Enviar misiones a Marte y otros destinos en el espacio profundo requiere tecnologías de propulsión avanzadas que proporcionen alta aceleración (delta-v), impulso específico (Isp) y eficiencia de combustible. Florian Neukart, profesor de la Universidad de Leiden, propuso en un artículo reciente que las misiones futuras podrían depender de un nuevo concepto de propulsión llamado motor de plasma de fusión magnética (MFPD). Este dispositivo combina aspectos de diferentes métodos de propulsión para crear un sistema con alta densidad de energía y una eficiencia de combustible significativamente mayor que los métodos tradicionales.
¿Cómo pueden los humanos viajar al sistema estelar más cercano durante nuestra vida? Fuente de la imagen: Proyecto Marsh Maomi/Shenjiang
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 TerraQuantum AG. Recientemente se publicó en línea una preimpresión de su artículo y actualmente está siendo revisada por Elsevier.
¿Por qué se necesita tecnología de propulsión avanzada?
Neukat cree que las tecnologías que puedan superar la propulsión química tradicional (PCC) son cruciales en la era actual de la exploración espacial. En particular, estas tecnologías deben proporcionar mayor eficiencia energética, empuje y capacidad para realizar misiones de larga duración.
Esto es especialmente cierto en el caso de las misiones a Marte y otros lugares fuera del sistema Tierra-Luna, ya que estas misiones plantean graves amenazas a la salud, la seguridad y el bienestar de los astronautas. Incluso si la Tierra y Marte se acercan cada 26 meses (oposición de Marte), un vuelo de ida a Marte tardaría hasta nueve meses. Combinada con operaciones terrestres que podrían durar hasta un año y un viaje de regreso de 9 meses, ¡la misión a Marte podría durar hasta 900 días! Durante este período, los astronautas estarán expuestos a altos niveles de radiación cósmica y solar, sin mencionar el daño a sus cuerpos causado por la microgravedad a largo plazo.
Como resultado, la NASA y otras agencias espaciales están investigando activamente otros métodos de propulsión. Como en el artículo anterior ¿Cuánto tiempo se tarda en viajar a la estrella más cercana? Incluyen conceptos de ahorro de combustible como la propulsión eléctrica o la propulsión iónica, que utilizan campos electromagnéticos para ionizar un propulsor inerte como el xenón y acelerarlo a través de una boquilla para generar empuje. Sin embargo, estos conceptos suelen producir menos empuje y deben depender de fuentes de energía de alta potencia (paneles solares o reactores nucleares) para producir un mayor empuje.
Representación artística de la sonda espacial IKAROS en vuelo, la primera nave espacial que demostró con éxito la tecnología de vela solar en el espacio interplanetario. Fuente: AndrzejMirecki
Las velas solares son otra opción que puede generar una aceleración sostenida 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 esta idea es el uso de conjuntos de láseres de clase gigavatios (GWe) para acelerar una nave espacial equipada 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 implementarse.
Propulsión nuclear y de fusión
Otro concepto popular es la propulsión térmica nuclear (NTP), que la NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) están desarrollando actualmente en forma del cohete de demostración de operaciones lunares ágiles (DRACO). Este método se basa en un reactor nuclear para calentar un propulsor (como el hidrógeno líquido), lo que hace que se expanda a través de una boquilla para crear empuje. Las ventajas del NTP incluyen una alta densidad de energía y una alta aceleración, pero también enfrenta muchos desafíos técnicos y de seguridad relacionados con el manejo y lanzamiento de materiales nucleares.
Una nave espacial propulsada por un reactor de positrones se parecería a la concepción artística de una nave espacial de referencia para una misión a Marte. Fuente: NASA
También existen conceptos de propulsión que aprovechan las reacciones de fusión nuclear, como las reacciones deuterio-tritio (D-T) y deuterio-hidrógeno 3 (D-He3), que los científicos teóricos han estado estudiando durante décadas. Estos métodos ofrecen el potencial de lograr un alto empuje y un impulso específico extremadamente alto, pero también plantean desafíos técnicos, el principal de ellos cómo manejar el combustible necesario y lograr reacciones de fusión sostenidas y controlables. También existen algunos conceptos más exóticos, como la propulsión de antimateria y los motores warp de Alcubierre, pero ninguno de los dos es factible en el futuro previsible.
El concepto revolucionario de Newkart
La propuesta de Newkart combina propulsión por fusión, propulsión iónica y otros conceptos. Como explicó a Universe Today por correo electrónico:
"MFPD es un sistema de propulsión utilizado para la exploración espacial que utiliza reacciones de fusión nuclear controladas como fuente de energía primaria para producir empuje y potencialmente electricidad. La premisa del sistema es aprovechar la enorme energía generada por las reacciones de fusión nuclear (que generalmente involucran isótopos de hidrógeno o helio) para producir gases de escape de partículas de alta velocidad que pueden producir, según la tercera ley de Newton, empuje. El campo magnético se usa para restringir y manipular el plasma producido por la reacción de fusión para asegurar la controlabilidad y direccionalidad de la liberación de energía. Al mismo tiempo, el concepto MFPD también prevé la posibilidad de convertir parte de la energía de fusión en energía eléctrica para mantener el sistema a bordo de la nave y el posible sistema de control de reacción".
Concepto artístico de un cohete térmico nuclear de modo dual en órbita terrestre baja. Fuente: NASA
Para desarrollar el concepto, Newart comenzó con la reacción de fusión deuterio-tritio (D-T) porque es una de las reacciones más estudiadas y comprendidas, y proporciona una base clara y familiar para elaborar los principios y la mecánica básicos de MFPD. Además, Neukart añadió que la reacción D-T tiene una temperatura de ignición relativamente baja y una sección transversal alta en comparación con otros conceptos, lo que la convierte en un buen "punto de partida". Por lo tanto, proporcionan un punto de referencia útil para medir y comparar el rendimiento de dichos sistemas de propulsión teóricos.
Sin embargo, el objetivo final de MFPD es explotar la fusión sin neutrones (p-B11), donde muy poca energía liberada por la reacción es transportada por neutrones. Por el contrario, las reacciones sin neutrones liberan energía en forma de partículas cargadas (normalmente protones o partículas alfa), lo que reduce en gran medida el nivel de radiación de neutrones producida.
Ventajas de la tecnología de descomposición multimedia.
Las ventajas de un sistema de este tipo son obvias: combina un alto impulso específico con una enorme densidad de energía y la capacidad de proporcionar empuje y potencia a partir de una única fuente de energía. Neuckert dijo que otras ventajas incluyen las siguientes:
Alto impulso específico: MFPD puede proporcionar un alto impulso específico, provocando enormes cambios de velocidad (delta-v) a la nave espacial, lo que resulta útil para llevar a cabo misiones a cuerpos celestes distantes.
Combustibles de alta energía: Los combustibles de fusión (como los isótopos de hidrógeno) tienen densidades de energía sorprendentemente altas, lo que permite extender las misiones sin requerir grandes cantidades de propulsor.
Menor fracción de masa: Los diseños de naves espaciales pueden reducir la fracción de masa del almacenamiento de combustible, proporcionando una mayor asignación de masa para instrumentos científicos o tecnologías adicionales.
Doble propósito: El propulsor multipropósito es más que un simple sistema de propulsión; también proporciona energía a los sistemas e instrumentos de la nave espacial, lo cual es fundamental para misiones de larga duración.
Adaptabilidad: Posibilidad de ajustar el empuje y el impulso específico, brindando versatilidad para diferentes fases de la misión como aceleración, crucero y desaceleración.
Reducción de los tiempos de viaje: un mayor impulso sostenido podría acortar significativamente los tiempos de viaje a destinos distantes, reduciendo 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, es posible diseñar campos magnéticos inherentes y estructuras físicas para utilizar plasma y campos magnéticos para proporcionar un grado de protección contra la radiación para la nave espacial y la tripulación.
Independiente de la proximidad al Sol: a diferencia de las velas solares o los propulsores eléctricos solares, el Propulsor Multicampo Multipropósito no depende de la proximidad al Sol; por lo tanto, es factible realizar misiones en el sistema solar exterior y más allá.
Riesgo minimizado de contaminación nuclear: debido a que la fusión generalmente requiere menos material radiactivo que los conceptos nuclear-térmico o de fisión-eléctrica y potencialmente hace que el apagado del reactor sea más seguro, se pueden diseñar celdas de combustible multifuncionales para minimizar el riesgo de contaminación radiactiva.
Impacto y desafíos
En cuanto al impacto de este sistema en la exploración espacial, Nuekart enfatizó que puede atravesar distancias cósmicas distantes en un tiempo más corto, ampliar el alcance de la misión (viajar rápidamente a otros planetas del sistema solar y misiones interestelares), reducir los riesgos de las misiones espaciales a largo plazo (exposición a la radiación y la microgravedad), revolucionar el diseño de las naves espaciales al proporcionar propulsión y energía eléctrica al mismo tiempo y mejorar las capacidades de exploración humana.
Más allá de esto, prevé un potencial derivado de tecnologías en ciencia de materiales, física del plasma y producción de energía que también tienen aplicaciones aquí en la Tierra. El desarrollo del sistema también puede promover la cooperación internacional, reuniendo a expertos y recursos de múltiples campos para lograr objetivos de exploración comunes.
Por supuesto, ninguna propuesta de tecnología de próxima generación estaría completa sin algunas advertencias y adiciones. Por ejemplo, dijo Nuecat, el principal desafío para la tecnología de propulsión MFPD es lograr y mantener una relación de fusión estable en el espacio. En la Tierra, los investigadores han logrado avances considerables en el confinamiento magnético (MCF) y la fusión por confinamiento inercial (ICF). El primero implica un reactor tokamak que utiliza campos magnéticos para confinar la fusión en forma de plasma, mientras que el segundo se basa en láseres para comprimir y calentar láminas de combustible D-T. Sin embargo, no se han realizado experimentos similares en el espacio, lo que plantea dudas sobre cómo el sistema maneja el calor generado por la reacción, la radiación resultante y los efectos en la estructura de la nave espacial. A pesar de esto, han comenzado las pruebas nucleares espaciales (el demostrador DRACO antes mencionado). Dadas las ventajas de la tecnología de propulsión por fusión nuclear, es poco probable que permanezca en la mesa de dibujo por mucho tiempo. En última instancia, dijo Nuecat, la investigación sobre propulsores multicombustibles tiene como objetivo establecer un camino hacia la exploración interestelar y (algún día) interestelar:
"Es innegable que habrá muchos desafíos y obstáculos científicos en el proceso de hacer realidad el concepto de descomposición catalítica multimedia, pero las recompensas potenciales son enormes. Lograr una propulsión de fusión confiable, efectiva y eficiente puede redefinir los límites de los objetivos alcanzables e impulsar a la humanidad hacia una nueva era de exploración, descubrimiento y comprensión del universo. Espero que esta investigación siembre las semillas de la curiosidad, la innovación y la determinación para los científicos, ingenieros y exploradores de todo el mundo, señalando el camino para nuestro futuro interestelar."
Adaptado de un artículo publicado originalmente en Universe Today.