Propulsão de pulso nuclear - Nuclear pulse propulsion

Uma concepção artística da nave espacial "básica" do Projeto Orion , movida por propulsão de pulso nuclear.

A propulsão por pulso nuclear ou a propulsão por plasma pulsado externo é um método hipotético de propulsão de espaçonave que usa explosões nucleares para o empuxo . Ele se originou como Projeto Orion com o apoio da DARPA , após uma sugestão de Stanislaw Ulam em 1947. Projetos mais recentes usando fusão de confinamento inercial foram a base para a maioria dos projetos posteriores, incluindo o Projeto Daedalus e o Projeto Longshot .

História

Los Alamos

Os cálculos para um uso potencial dessa tecnologia foram feitos em laboratório desde o final da década de 1940 até meados da década de 1950.

Projeto Orion

Uma unidade de propulsão de pulso nuclear. A carga explosiva vaporiza ablativamente o propelente, impulsionando-o para longe da carga e, simultaneamente, criando um plasma fora do propelente. O propelente então passa a impactar a placa impulsora na parte inferior da espaçonave Orion, transmitindo um pulso de energia de "impulso".

O Projeto Orion foi a primeira tentativa séria de projetar um foguete de pulso nuclear. Um projeto foi formado na General Atomics durante o final dos anos 1950 e início dos anos 1960, com a ideia de reagir pequenos explosivos nucleares direcionais utilizando uma variante do projeto da bomba Teller-Ulam de dois estágios contra uma grande placa impulsora de aço fixada à espaçonave com amortecedores . Explosivos direcionais eficientes maximizaram a transferência de momentum, levando a impulsos específicos na faixa de 6.000 segundos, ou cerca de treze vezes mais do que o motor principal do ônibus espacial . Com refinamentos, um máximo teórico de 100.000 segundos (1 MN · s / kg) pode ser possível. Os impulsos eram da ordem de milhões de toneladas , permitindo que espaçonaves maiores que 8 × 10 6 toneladas fossem construídas com materiais de 1958.

O projeto de referência deveria ser construído em aço usando uma construção em estilo submarino com uma tripulação de mais de 200 e um veículo com peso de decolagem de vários milhares de toneladas . Este projeto de referência de estágio único alcançaria Marte e retornaria em quatro semanas da superfície da Terra (em comparação com 12 meses para a atual missão de referência com energia química da NASA). A mesma nave pode visitar as luas de Saturno em uma missão de sete meses (em comparação com missões de energia química de cerca de nove anos). Problemas notáveis ​​de engenharia que ocorreram foram relacionados à proteção da tripulação e à vida útil da placa impulsora.

Embora o sistema parecesse funcional, o projeto foi encerrado em 1965, principalmente porque o Tratado de Proibição de Testes Parciais o tornou ilegal; de fato, antes do tratado, os Estados Unidos e a União Soviética já haviam detonado separadamente um número combinado de pelo menos nove bombas nucleares, incluindo termonucleares, no espaço, ou seja, em altitudes de mais de 100 km (ver explosões nucleares de alta altitude ). Questões éticas complicaram o lançamento de tal veículo dentro da magnetosfera terrestre : cálculos usando o (disputado) modelo linear sem limiar de danos por radiação mostraram que a precipitação de cada decolagem causaria a morte de aproximadamente 1 a 10 indivíduos. Em um modelo de limite, tais níveis extremamente baixos de radiação distribuída de forma fina não teriam efeitos nocivos associados, enquanto em modelos de hormese , tais doses minúsculas seriam desprezivelmente benéficas. Com o possível uso de bombas nucleares limpas menos eficientes para alcançar a órbita e, em seguida, mais eficientes, bombas mais sujas de rendimento para viagens reduziriam significativamente a quantidade de precipitação causada por um lançamento baseado na Terra.

Uma missão útil seria desviar um asteróide ou cometa em rota de colisão com a Terra, retratado dramaticamente no filme Impacto Profundo de 1998 . O alto desempenho permitiria que até mesmo um lançamento tardio tivesse sucesso, e o veículo poderia efetivamente transferir uma grande quantidade de energia cinética para o asteróide por um simples impacto. A perspectiva de um impacto iminente de um asteróide evitaria preocupações sobre as poucas mortes previstas por precipitação radioativa. Uma missão automatizada eliminaria o desafio de projetar um amortecedor que protegesse a tripulação.

Orion é um dos poucos drives espaciais interestelares que poderiam teoricamente ser construídos com a tecnologia disponível, conforme discutido em um artigo de 1968, Interstellar Transport de Freeman Dyson .

Projeto Daedalus

O Projeto Daedalus foi um estudo conduzido entre 1973 e 1978 pela British Interplanetary Society (BIS) para projetar uma espaçonave interestelar não tripulada que pudesse alcançar uma estrela próxima em cerca de 50 anos. Uma dúzia de cientistas e engenheiros liderados por Alan Bond trabalharam no projeto. Na época, a pesquisa de fusão parecia estar fazendo grandes avanços e, em particular, a fusão de confinamento inercial (ICF) parecia ser adaptável como um motor de foguete.

A ICF usa pequenos grânulos de combustível de fusão, normalmente deutereto de lítio ( 6 Li 2 H) com um pequeno gatilho de deutério / trítio no centro. As pelotas são jogadas em uma câmara de reação, onde são atingidas por todos os lados por lasers ou outra forma de energia irradiada. O calor gerado pelos feixes comprime de forma explosiva o pellet até o ponto em que ocorre a fusão. O resultado é um plasma quente e uma "explosão" muito pequena em comparação com o tamanho mínimo da bomba que seria necessária para criar a quantidade necessária de fissão.

Para Dédalo, esse processo deveria ser executado dentro de um grande eletroímã que formava o motor do foguete. Após a reação, iniciada por feixes de elétrons, o ímã canalizava o gás quente para a retaguarda para o impulso. Parte da energia foi desviada para fazer funcionar os sistemas e o motor da nave. Para tornar o sistema seguro e eficiente em termos de energia, o Daedalus deveria ser movido por um combustível hélio-3 coletado de Júpiter .

Medusa

Diagrama conceitual de uma espaçonave de propulsão Medusa, mostrando: (A) a cápsula de carga útil, (B) o mecanismo de guincho, (C) o cabo de amarração principal opcional, (D) amarras de riser e (E) o mecanismo de pára-quedas.
Sequência operacional do sistema de propulsão Medusa . Este diagrama mostra a sequência de operação de uma espaçonave de propulsão Medusa (1) Começando no momento do disparo da unidade de pulso explosivo, (2) Quando o pulso explosivo atinge o velame do paraquedas, (3) Empurra o velame, acelerando-o para longe da explosão como a espaçonave joga a corda principal com o guincho, gerando eletricidade à medida que se estende e acelerando a espaçonave, (4) E, finalmente, puxa a espaçonave para o dossel e usa o excesso de eletricidade para outros fins.

O desenho da Medusa tem mais em comum com velas solares do que com foguetes convencionais. Foi idealizado por Johndale Solem na década de 1990 e publicado no Journal of the British Interplanetary Society (JBIS).

Uma espaçonave Medusa posicionaria uma grande vela à sua frente, presa por cabos independentes, e então lançaria explosivos nucleares para detonar entre ela e sua vela. A vela seria acelerada pelo plasma e impulso fotônico, esgotando as amarras como quando um peixe foge de um pescador, gerando eletricidade no "carretel". A espaçonave usaria parte da eletricidade gerada para se enrolar em direção à vela, constantemente acelerando suavemente à medida que avança.

No projeto original, várias amarras conectadas a vários motores geradores. A vantagem sobre a corda única é aumentar a distância entre a explosão e as cordas, reduzindo assim os danos às cordas.

Para cargas úteis pesadas, o desempenho poderia ser melhorado aproveitando-se dos materiais lunares, por exemplo, envolvendo o explosivo com rocha lunar ou água, previamente armazenado em um ponto estável de Lagrange .

O Medusa tem um desempenho melhor do que o design clássico do Orion porque sua vela intercepta mais do impulso explosivo, seu curso de amortecedor é muito mais longo e suas principais estruturas estão em tensão e, portanto, podem ser bastante leves. Navios do tipo Medusa seriam capazes de um impulso específico entre 50.000 e 100.000 segundos (500 a 1000 kN · s / kg).

A Medusa tornou-se amplamente conhecida do público no documentário da BBC, To Mars By A-Bomb: The Secret History of Project Orion . Um curta-metragem mostra a concepção de um artista de como a espaçonave Medusa funciona "ao jogar bombas em uma vela que está à sua frente".

Projeto Longshot

O Projeto Longshot foi um projeto de pesquisa patrocinado pela NASA realizado em conjunto com a Academia Naval dos Estados Unidos no final dos anos 1980. Longshot foi, de certa forma, um desenvolvimento do conceito básico da Daedalus, no sentido de que usava ICF com funil magnético. A principal diferença era que eles sentiram que a reação não poderia alimentar o foguete e os outros sistemas e, em vez disso, incluiu um reator nuclear convencional de 300 kW para operar a nave. O peso adicionado do reator reduziu um pouco o desempenho, mas mesmo usando combustível LiD seria capaz de alcançar a estrela vizinha Alpha Centauri em 100 anos (velocidade aproximada de 13.411 km / s, a uma distância de 4,5 anos-luz - equivalente a 4,5% da velocidade da luz).

Reação nuclear catalisada por antimatéria

Em meados da década de 1990, a pesquisa na Universidade Estadual da Pensilvânia levou ao conceito de uso de antimatéria para catalisar reações nucleares. Os antiprótons reagiriam dentro do núcleo do urânio , liberando energia que quebra o núcleo como nas reações nucleares convencionais. Mesmo um pequeno número de tais reações pode iniciar a reação em cadeia que, de outra forma, exigiria um volume muito maior de combustível para se sustentar. Considerando que o "normal" massa crítica para plutónio é de cerca de 11,8 kg (para uma esfera com uma densidade padrão), com anti-matéria reacções catalisadas esta poderia ser muito inferior a um grama.

Vários projetos de foguetes usando esta reação foram propostos, alguns que usariam reações de fissão total para missões interplanetárias, e outros usando fusão de fissão (efetivamente uma versão muito pequena das bombas de Orion) para missões interestelares.

Fusão magneto-inercial

Foguete de fusão magneto-inercial MSNW
A nave espacial movida a foguete Fusion Driven.jpg
Gráfico conceitual de uma espaçonave movida a foguete de fusão chegando a Marte
Designer MSNW LLC
Aplicativo Interplanetário
Status Teórico
atuação
Impulso específico 1.606 sa 5.722 s (dependendo do ganho de fusão)
Tempo de queima 1 dia a 90 dias (ideal de 10 dias com ganho de 40)
Referências
Referências
Notas

A NASA financiou o MSNW LLC e a Universidade de Washington em 2011 para estudar e desenvolver um foguete de fusão por meio do Programa NIAC de conceitos avançados inovadores da NASA .

O foguete usa uma forma de fusão magneto-inercial para produzir um foguete de fusão de empuxo direto. Os campos magnéticos causam o colapso de grandes anéis de metal em torno do plasma de deutério - trítio , desencadeando a fusão. A energia aquece e ioniza a casca de metal formada pelos anéis triturados. O metal ionizado quente é disparado de um bocal de foguete magnético em alta velocidade (até 30 km / s). A repetição desse processo a cada minuto impulsionaria a espaçonave. A reação de fusão não é autossustentável e requer energia elétrica para explodir cada pulso. Com requisitos elétricos estimados entre 100 kW a 1.000 kW (300 kW em média), os projetos incorporam painéis solares para produzir a energia necessária.

A compressão do Foil Liner cria fusão na escala de energia adequada. O experimento de prova de conceito em Redmond, Washington, foi usar revestimentos de alumínio para compressão. No entanto, o projeto final foi usar revestimentos de lítio.

As características de desempenho dependem do fator de ganho de energia de fusão alcançado pelo reator. Os ganhos eram esperados entre 20 e 200, com uma média estimada de 40. Ganhos maiores produzem maior velocidade de exaustão, maior impulso específico e menores requisitos de energia elétrica. A tabela abaixo resume as diferentes características de desempenho para uma transferência teórica de Marte de 90 dias com ganhos de 20, 40 e 200.

Parâmetros FDR para gravação de transferência de 90 Marte
Ganho total Ganho de 20 Ganho de 40 Ganho de 200
Massa do revestimento (kg) 0,365 0,365 0,365
Impulso (s) específico (s) 1.606 2.435 5.722
Fração de massa 0,33 0,47 0,68
Massa específica (kg / kW) 0,8 0,53 0,23
Propelente de massa (kg) 110.000 59.000 20.000
Massa inicial (kg) 184.000 130.000 90.000
Energia elétrica necessária (kW) 1.019 546 188

Em abril de 2013, o MSNW demonstrou os subcomponentes dos sistemas: aquecimento do plasma de deutério até temperaturas de fusão e concentração dos campos magnéticos necessários para criar a fusão. Eles planejaram colocar as duas tecnologias juntas para um teste antes do final de 2013.

Fissão pulsada de propulsão por fusão

A propulsão por Fissão Pulsada-Fusão (PuFF) é baseada em princípios semelhantes à fusão magneto-inercial, e visa resolver o problema do estresse extremo induzido na contenção por um motor semelhante ao Orion ao ejetar o plasma obtido a partir de pequenos pellets de combustível que sofrem autocatalítico reacções de fissão e de fusão iniciada por um Z-pitada . É um sistema de propulsão teórico pesquisado por meio do Programa NIAC da Universidade do Alabama em Huntsville . É, em essência, um foguete de fusão que usa uma configuração Z-pinch, mas juntamente com uma reação de fissão para impulsionar o processo de fusão.

Um pellet de combustível PuFF, com cerca de 1 cm de diâmetro, consiste em dois componentes: Um cilindro de plasma de deutério-trítio (DT), chamado de alvo , que sofre fusão, e uma bainha U-235 circundante que sofre fissão envolvida por um revestimento de lítio . O lítio líquido, servindo como moderador, preenche o espaço entre o cilindro DT e a bainha de urânio. A corrente passa através do lítio líquido, uma força de Lorentz é gerada que então comprime o plasma DT por um fator de 10 no que é conhecido como Z-pinch. O plasma comprimido atinge a criticidade e sofre reações de fusão. No entanto, o ganho de energia de fusão ( Q ) dessas reações está muito abaixo do ponto de equilíbrio ( Q <1), o que significa que a reação consome mais energia do que produz.

Em um projeto PuFF, os nêutrons rápidos liberados pela reação de fusão inicial induzem a fissão na bainha do U-235. O calor resultante faz com que a bainha se expanda, aumentando sua velocidade de implosão no núcleo do DT e comprimindo-o ainda mais, liberando nêutrons mais rápidos. Esses novamente amplificam a taxa de fissão na bainha, tornando o processo autocatalítico. Espera-se que isso resulte em uma queima completa dos combustíveis de fissão e fusão, tornando o PuFF mais eficiente do que outros conceitos de pulso nuclear. Muito parecido com um foguete de fusão magneto-inercial, o desempenho do motor depende do grau em que o ganho de fusão do alvo DT é aumentado.

Um "pulso" consiste na injeção de um pellet de combustível na câmara de combustão, seu consumo por meio de uma série de reações de fissão-fusão e, finalmente, a ejeção do plasma liberado por um bico magnético, gerando empuxo. Espera-se que um único pulso leve apenas uma fração de segundo para ser concluído.

Veja também

Referências

links externos