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Jan 13, 2024

¿Qué pasaría si Titan Dragonfly tuviera un motor Fusion?

En poco más de cuatro años, la misión Dragonfly de la NASA se lanzará al espacio y

En poco más de cuatro años, la misión Dragonfly de la NASA se lanzará al espacio y comenzará su largo viaje hacia Titán, la luna más grande de Saturno. Como parte del programa New Frontiers, este cuadricóptero explorará la atmósfera, la superficie y los lagos de metano de Titán en busca de posibles indicaciones de vida (también conocidas como firmas biológicas). Este comenzará en 2034, con una fase científica de tres años y tres meses y medio. El explorador robótico se basará en una batería nuclear, un generador térmico de radioisótopos de múltiples misiones (MMRTG), para garantizar su longevidad.

Pero, ¿y si Dragonfly estuviera equipado con un sistema de energía de fusión de próxima generación? En un estudio de misión reciente, un equipo de investigadores de Princeton Satellite Systems demostró cómo un Direct Fusion Drive (DFD) podría mejorar enormemente una misión a Titán. Esta empresa aeroespacial con sede en Nueva Jersey está desarrollando sistemas de fusión que se basan en la configuración invertida de campo de Princeton (PFRC). Esta investigación podría conducir a reactores de fusión compactos que podrían conducir a tránsitos rápidos, misiones de mayor duración y reactores nucleares en miniatura aquí en la Tierra.

El equipo de investigación estuvo dirigido por Michael Paluszek, presidente de Princeton Satellite Systems (PSS) e ingeniero aeronáutico y astronáutico con una larga historia de experiencia en sistemas espaciales y la industria espacial comercial. A él se unieron varios colegas de PSS, el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL), el Instituto de Tecnología de la Fuerza Aérea en Wright-Patterson AFB y la Universidad de Princeton y Stanford. Su estudio de misión, "Avión Titán propulsado por fusión nuclear", apareció recientemente en Acta Astronautica.

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El concepto de propulsión nuclear se remonta a principios de la era espacial cuando la NASA y el programa espacial soviético buscaban desarrollar reactores para impulsar futuras misiones más allá del sistema Tierra-Luna. Entre 1964 y 1969, sus esfuerzos condujeron a la aplicación del motor nuclear para vehículos cohete (NERVA), un reactor de núcleo sólido que se basa en la descomposición lenta de uranio altamente enriquecido (235U) para impulsar un propulsor nuclear térmico (NTP). o Sistema de propulsión nuclear-eléctrica (NEP).

El primero se basa en un reactor para calentar el propulsor de deuterio (2H) y oxígeno líquido (LOX), que luego se dirige a través de boquillas para generar empuje. Este último implica un reactor que proporciona electricidad a un propulsor de efecto Hall o un motor de iones que se basa en campos electromagnéticos para ionizar un gas inerte (como el xenón) que se dirige a través de boquillas para el empuje. A diferencia de estos motores nucleares tradicionales, Direct Fusion Drive (DFD) requiere un motor de cohete de fusión nuclear que produzca tanto empuje como energía eléctrica para una nave espacial interplanetaria.

En un estudio anterior, un equipo de investigación internacional propuso cómo una nave espacial equipada con un DFD de 2 megavatios (MW) podría transportar una carga útil de 1000 kg (2200 lb) a Titán en menos de 2,6 años (~31 meses). Esto es más del doble de la masa de la misión Dragonfly, que es (en términos relativos) un peso pluma en comparación: 450 kg (990 lbs). Un tiempo de tránsito de 2,6 años también es significativamente menor que los siete años que tardará la nave espacial Dragonfly en llegar a Titán.

En su artículo, Paluszek y sus colegas ampliaron este trabajo para incluir un avión como carga útil, que exploraría la atmósfera y la superficie de Titán durante años. Y a diferencia del diseño de quadcopter de Dragonfly, su avión Titán sería un explorador robótico de ala fija. Como Paluszek le dijo a Universe Today por correo electrónico, la clave de este concepto de nave espacial es el concepto de reactor PFRC desarrollado por investigadores del PPPL:

"La configuración invertida del campo de Princeton es una topología magnética en la que los campos, producidos por antenas, cierran las líneas de campo dentro de un espejo magnético. Las antenas producen lo que se llama un campo magnético giratorio (RMF). La fusión tiene lugar en esta región de campo cerrado. Corrientes adicionales de plasma de baja temperatura alrededor de la región de fusión para producir una corriente de escape con la mejor velocidad de escape y empuje para una misión determinada".

Según su artículo, un motor propulsor DFD podría transportar una nave espacial considerable a Titán en menos de dos años. Un segundo reactor de fusión alimentaría la nave espacial Titán como un generador de energía eléctrica de circuito cerrado. Ambos reactores se basarían en el concepto PFRC y se basarían en un novedoso sistema de calentamiento por plasma de radiofrecuencia y combustible de deuterio/helio-3 (2H/3He). Esto le daría al avión Titán una potencia significativamente mayor (en varios órdenes de magnitud) y extendería en gran medida la vida útil de la misión. Dijo Paluszek:

"El avión Titán es mucho más grande. Proporciona más de 100 kW para experimentos. Dragonfly proporciona alrededor de 70 W. Más potencia significa una transferencia de datos más rápida a la Tierra y una clase completamente nueva de instrumentos de alta potencia. La misión NASA Jupiter Icy Moon Orbiter tuvo un cantidad similar de energía, y se planearon muchos instrumentos novedosos que requerían kW de energía".

La utilización de la energía nuclear para avanzar en la exploración espacial es algo que las agencias espaciales han estado investigando desde los albores de la era espacial. Con el Programa Artemisa y el regreso a la Luna en esta década, y las misiones a Marte y otros destinos del espacio profundo en la próxima, la NASA y otras agencias espaciales están nuevamente considerando posibles aplicaciones. Estos incluyen naves espaciales nucleares bimodales equipadas con un sistema NTP y NEP que podría reducir los tránsitos a Marte a 100 días (actualmente, las naves espaciales tardan de seis a nueve meses en viajar allí).

Recientemente se seleccionó un sistema NTP para el desarrollo de la Fase I como parte del programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA de 2023 que podría reducir los tiempos de tránsito a tan solo 45 días. Además, la NASA ha contratado a DARPA para probar un prototipo de NTP, el Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), en órbita para 2027. También hay esfuerzos para desarrollar sistemas de fisión pequeños y livianos a través del proyecto Fission Surface Power (FSP) de la NASA. para proporcionar continuamente hasta 10 kilovatios (kW) de energía durante al menos diez años.

Estos últimos esfuerzos se basan en el proyecto Kilopower de la NASA, que condujo al demostrador Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY). Como explicó Paluszek, un DFD que se base en el diseño del reactor PFRC podría mejorar drásticamente estas propuestas. Además, la tecnología también tiene implicaciones significativas para la exploración espacial y las aplicaciones terrestres:

"Un número clave es la relación entre la potencia y la masa de la planta de energía. La DFD debe ser de alrededor de 1 kW/kg. La NEP es de aproximadamente 0,02 kW/kg. Esta tecnología podría usarse para energía portátil para emergencias o para el ejército. Podría alimentar a distancia ciudades que no tienen un enlace a la red [y] para aplicaciones industriales donde no hay un enlace a la red disponible. Podría impulsar barcos y aviones no tripulados de muy larga duración. También podría usarse para plantas de energía modulares, como la eólica. turbinas y energía solar. Otra aplicación es la potencia máxima".

Esta no es la primera vez que Paluszek y sus colegas de PPPL y Princeton Satellite Systems han propuesto la tecnología DFD para avanzar en la exploración espacial. En 2014, como parte del 65º Congreso Astronáutico Internacional (IAC), recomendaron una nave espacial DFD para una misión orbital tripulada a Marte. En 2016, propusieron cómo un orbitador y un módulo de aterrizaje equipados con DFD facilitarían una misión a Plutón, que fue seleccionada para el desarrollo de las Fases I y II por el NIAC.

En la próxima década, es probable que los sistemas de propulsión nuclear y de energía nuclear se conviertan en características regulares de las misiones. Esto probablemente incluirá reactores de fusión en miniatura que proporcionan energía a las instalaciones que apoyan la exploración y el desarrollo en la superficie lunar. También podría proporcionar transporte rápido y sistemas de energía en Marte y misiones de astrobiología a Europa, Ganímedes, Titán, Encelado y otros "Mundos Oceánicos" en el Sistema Solar exterior. En resumen, la energía de fisión y fusión es una parte vital de los esfuerzos de la humanidad para ir más lejos en el espacio y permanecer allí a largo plazo.

Lectura adicional: Acta Astronáutica