Reacciones Nucleares y Exploración Espacial: “Direct Fusion Drive”

Se usaron los cohetes por primera vez en China en siglo XIII. Fueron tubos de bambú que se llenaron de pólvora y se fijaron a las flechas para lanzarse a sus enemigos mongoles. Setecientos años después, tubos más grandes se llenaron de hidrógeno y oxígeno líquidos, se fijaron a unas astronaves, y se lanzaron a la luna. Ahora, en el siglo XXI, vemos otra evolución, “Direct Fusion Drive,” (DFD), pero los conceptos fundamentales de cohetería que derrotaron a los mongoles en la Batalla de Kai Keng son los mismos fundamentales que nos van a lanzar a Plutón más rápidamente.

Los Básicos de la Cohetería

Pues, ¿cómo funcionan los cohetes? Teoréticamente, funcionan debido a la tercera ley de Newton que dice que las fuerzas ocurren en forma de pares, una acción y una reacción con magnitudes iguales, pero direcciones opuestas. Se mezclan y se queman los propelentes en una cámara de combustión. Los gases producidos van por una tobera y aceleran hacia velocidad supersónica (piensa en cómo cubrir parcialmente la boca de la manguera con el pulgar acelera la velocidad del agua). Al salir del cohete, los gases de escape de la combustión hacen una fuerza de reacción igual pero en la dirección contraria, una fuerza llamada empuje. El empuje hace volar el cohete. Ya que el cohete lleva su propio oxidante (el químico que causa combustión), no necesita oxígeno de la atmósfera para hacer combustión como un motor del coche. Por eso, es ideal para la exploración espacial.

Cohetes Convencionales

Desde el comienzo, los cohetes convencionales han sido propulsados por las reacciones químicas exotérmicas. Una reacción exotérmica es una reacción química que produce calor. 

Hay 2 tipos principales de estos cohetes: cohetes de combustible sólido y cohetes de combustible líquido. En el primero, se mezclan los combustibles desde el principio y entonces se enciende la superficie de la mezcla para causar la combustión. No obstante, en el segundo, originalmente, los propelentes son separados y entonces son inyectados en la cámara donde se mezclan y se queman.

Cómo Funciona “Direct Fusion Drive”

Los dos métodos han enviado a incontables astronautas al espacio, pero dentro de las siguientes décadas, DFD los podría reemplazar. DFD pretende usar la potencia de sus reacciones de fusión para propulsar la astronave y generar electricidad. Imanes potentísimos están alineados para crear una forma cilíndrica. Se ubican imanes más pequeños, pero aún más potentes, en ambos cabos. En el centro de esta configuración, helio-3, un isótopo del helio que tiene 1 neutrón, reacciona con deuterio, un isótopo de hidrógeno que pesa el doble que hidrógeno común (isótopos son átomos del mismo elemento pero que tienen cantidades diferentes de neutrones). Estas reacciones y algunas reacciones extras crean una región de fusión. Plasma fresco fluye sobre la región, extrayendo energía. (Plasma es un estado de materia similar a gas, pero que contiene iones y electrones. Porque plasma contiene electrones, es un buen conductor eléctrico e influenciado fácilmente por campos electromagnéticos).

Antenas alrededor del motor crean un campo magnético giratorio que induce una corriente eléctrica en el plasma. Los iones del plasma se calientan hasta se fusionan. Los productos de fusión salen del motor como los gases calientes de un cohete convencional, generando empuje.

Este proceso produce un montón de calor que es usado en un ciclo Brayton para producir más de 200 kW de potencia eléctrica. Se expulsa al espacio el calor que queda.

Una Comparación

 Cohetes convencionales tienen muchas ventajas: gran empuje y bajo costo (relativamente). Son fiables y se han usado hace siglos. Pero el tamaño compacto y la eficiencia de DFD son los que atraen el interés de los científicos. Una variable muy importante de cohetería es el impulso específico– impulso por unidad de masa de propelente o con cuánta eficiencia el cohete crea empuje. Si el impulso específico sube, el combustible necesario para el impulso deseado baja. El máximo del impulso específico de cohetes convencionales es aproximadamente 500 segundos, pero un motor de DFD cuenta con un impulso específico de 10.000 a 20.000 segundos y es tan pequeño como una camioneta.

NASA predice que una misión de 10.000 kg con DFD podr­ía llegar a Plutón en 4 años, un tiempo más corto que los 9,5 años que tardó New Horizons propulsado por propulsión de hidracina. Además, tendría una enorme capacidad de hacer trabajo científico debido a su potencia eléctrica aumentada.

El Futuro

Para concluir, NASA está muy emocionada del concepto de DFD porque puede encajar en la infraestructura actual de NASA y sería una opción de fusión de radiación poca; sin embargo, todavía hay muchas mejoras que hacer. Por ejemplo, aún no se ha mostrado fusión nuclear, el concepto central. El diseño de DFD va a su segunda etapa que pretende mejorar su capacidad de protección radiológica y su proceso de caldear el plasma. Según la cronología actual, se planean vuelos para después de 2030, y en el futuro, DFD podría propulsar plataformas orbitales, viajes interplanetarios, y bases lunares y marcianas aún.

 

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Bibliografia

Paluszek, M., Pajer, G., Razin, Y., Slonaker, J., Cohen, S., Feder, R., … Walsh, M. (2014). (rep.). Direct Fusion Drive for a Human Mars Orbital Mission (pp. 1–9). Princeton, New Jersey: Princeton Plasma Physics Laboratory Office of Reports and Publications. 

Princeton Satellite Systems. (2018). Technical Video of Dfd Engine. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=hggqvB5I95I. 

Thomas, S. (n.d.). Direct Fusion Drive: Enabling Rapid Deep Space Propulsion. Lecture. 

Benson, T. (2014, June 12). Brief History of Rockets. NASA. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/TRC/Rockets/history_of_rockets.html. 

Tyra is a fourth-year mechanical engineering major. She is interested in renewable energy, specifically nuclear energy. Upon graduation, she will be working as an engineer at Naval Reactors, the government office responsible for the safe and reliable operation of the Navy's nuclear propulsion program. She also enjoys writing and drawing comics in her free time.