Para alcanzar las estrellas

#1#También podría ser el combustible que dé potencia a las naves espaciales en su viaje a los planetas y quizá a las estrellas. Aún si solo se utiliza como un sofisticado libro de acertijos. La antimateria y la fusión nuclear de forma más “convencional”, ocuparon los últimos días del décimo taller anual de Investigación Avanzada de Propulsión realizada de Martes a Jueves en la Universidad de Alabama in Huntsville por el Laboratorio Marshall de Propulsión de Cohetes en la NASA y por el Instituto Americano de Astronáutica y Aeronáutica. “La antimateria tiene una tremenda densidad de energía”, dijo el Dr. George Schmidt, jefe de investigación de propulsión y tecnología en el Laboratorio Marshall de la NASA. Aniquilación de materia-antimateria – la completa conversión de materia en energía – libera la mayor cantidad de energía por unidad de masa que cualquier reacción física conocida. La creencia popular es que una partícula de antimateria puesta en contacto con su contraparte en materia libera energía. Eso es cierto para electrones y positrones (anti-electrones). Ellos producen rayos gamma a 511 000 electrón-voltios. Pero partículas pesadas como protones y anti-protones son en cierta forma desordenados, creando rayos gamma y dejando un abanico de partículas secundarias que eventualmente decaen en neutrinos y rayos gamma de baja energía. Y eso es en parte lo que Schmidt y otros desean en un motor de antimateria. Los rayos gamma de una reacción perfecta podrían escapar inmediatamente, a menos que la nave estuviese densamente blindada sin ningún otro propósito. Pero la caída de potencial de una aniquilación de protón/anti-protón puede empujar una nave. “Queremos llegar tan cerca como sea posible al evento de aniquilación inicial” Explicó Schmidt. “Lo que es importante es interceptar algunos de los piones y otras partículas cargadas que son producidas y usar la energía para producir empuje”. Esta no es la astronave de tu padre. Él no la va a usar del modo en que lo hizo la nave Enterprise, creando un campo warp para mover la nave a través del espacio más rápido que la velocidad de la luz. En su nivel más básico, un cohete antimateria es aún un cohete Newtoniano moviendo una sonda espacial mediante acción y reacción. ¡Y qué reacción!. El motor principal de una nave espacial tiene un impulso específico y una medida de eficiencia de 455 segundos, y la fisión nuclear podría alcanzar 10 000 segundos, la fusión podría proporcionar 60 000 a 100 000 segundos. Pero primero: ¿De dónde se obtiene? ¿Y cómo se almacena el equivalente nuclear del solvente universal? #2#Los anti-protones, explicó el Dr Schmidt de la Universidad del Estado de Pennsylvania, se pueden obtener en cantidades moderadas a partir de aceleradores de alta-energía impactando partículas contra blancos sólidos. Los antiprotones se juntan y mantienen en una botella magnética. Mientras que eso se ha hecho de forma relativamente fácil en pequeñas cantidades, darle combustible a un cohete, requerirá de mucho más. “Estamos construyendo una trampa Penning“, dijo Smith, “una que será ligera y robusta”. Cuando esté terminada, pesará cerca de 100kg (220 lbs), la mayor parte de ella será nitrógeno líquido y helio para conservar a cerca de un billón de anti-protones – mucho menos de un nanogramo – quietos en una zona aproximada de 1 mm (1/25 de pulgada) en diagonal. “¿Cómo sabe usted que tiene partículas en la trampa?”, preguntó Smith. “Ellas son inodoras e incoloras”. Sin embargo, tienen una firma distintiva de radio frecuencia la cual Smith y sus colegas han sido capaces de medir. Ellos también han demostrado que el diseño de su trampa podría conservar una cantidad significativa hasta por 5 días. #3# “Nuestro objetivo es obtener hasta un microgramo de antiprotones”, dice Smith. “Hay algunas tecnologías interesantes de propulsión que trabajan a ese nivel. Pensamos que podemos realizarlo”. Un billón de anti-protones es el máximo que puede ser almacenado bajo esas condiciones. Se podrían mantener más si fuesen convertidas en anti-hidrógeno, anti-protones más positrones. Un gran empuje por el mismo precio. En este momento, la antimateria es la sustancia más cara en la Tierra, cerca de US$62,5 billones por un gramo (US$1 750 billones la onza). La producción es, cuando mucho 50% eficiente porque la mitad de lo que es creado son protones regulares, y el equipo que se utiliza actualmente no fue diseñado para dar combustible a cohetes. Harold Gerrish del Centro Marshall de la NASA y otros estiman que mejoras en el equipo para atrapar y desacelerar anti-protones podrían bajar el precio hasta cerca de $5 000 por microgramo. Un nuevo inyector en el laboratorio Fermi ubicado a las afueras de Chicago dará esa facilidad para elevar su producción hasta 10 veces, de 1,5 a 15 nanogramos al año. “Ahora mismo se están produciendo muchos anti-protones, pero la mayoría son desperdiciados”, dijo Gerrish. El Dr. Steven Hove de Tecnologías Sinérgicas en Los Álamos, Nuevo México, explicó que el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) está trabajando hacia la producción de anti-hidrógeno como parte del programa Athena de física fundamental, para determinar si la antimateria de hecho es indistinguible de la materia. Usando la misma trampa loffe-Pritchard desarrollada en el CERN, él confía en que grandes cantidades de átomos de anti-hidrógeno se puedan almacenar con seguridad por largos períodos. A bajas temperaturas, la longitud de onda del átomo es muchas veces mayor que la del material del que están hechas las paredes del contenedor, así que los átomos se reflejan con poco esfuerzo. “Nuestra meta es retirar la antimateria del reino de la ciencia-ficción y ponerlo en el reino comercialmente explotable de aplicaciones para el transporte y la medicina”. Más allá de la empresa de energía de fusión. Un paso antes de la antimateria esta la fusión, la fuente de energía del futuro de las últimas cinco décadas. La fusión controlada – uniendo dos núcleos ligeros para obtener un núcleo ligeramente más pesado y mucha energía – ha permanecido como un reto. En su búsqueda por exceder Q=1, el punto de equilibrio, los científicos se han movido de rendimientos bajos de energía de Q=0,0000000000001 a finales de los años 50 hasta Q=0,3 al día de hoy, y han desarrollado un gran conjunto de conocimiento de ingeniería y ciencia mostrando que puede ser práctico. “Desde la perspectiva de la NASA, el reto es adaptar la fusión para la propulsión en el espacio”, Dijo el Dr. Francis Thio, un director de investigación científica en el Laboratorio Marshall de Propulsión a Chorro en la NASA. “La fusión por blanco magnético (MTF) es uno de los principales caminos que estamos estudiando”. El Laboratorio Marshall de la NASA está trabajando con el Laboratorio Nacional de Los Álamos y con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea para adaptar el MFT para propulsión. “MTF intenta operar en un régimen intermedio entre fusión magnética convencional y confinamiento inercial por láser”, Thio explicó. El problema con la confinación magnética convencional es que opera a una densidad muy baja. Para lograr energía suficiente, el reactor de fusión debe ser grande, lo cual se traduce en un alto costo. Por otro lado, la fusión por confinamiento inercial utiliza un delgado plasma, 1 000 billones de veces más denso que un esquema de confinamiento magnético. Pero ello requiere un excitador – generalmente bancos de láser intensos de pulso corto – que golpea y comprime el blanco en poco tiempo. Eso también eleva el costo. “MTF intenta operar a no muy baja ni muy alta densidad”, Thio explicó, “y lograr una tasa razonable de actividad de fusión con una densidad de 10 000 a 100 000 veces superior que el confinamiento magnético, y 10 000 a 100 000 veces menor que la fusión láser”. Es más económico y utiliza excitadores de energía por pulsos - poderosos bancos de capacitores que proporcionan implosión electromagnética – que están disponibles hoy día a bajo costo. No tienen la velocidad de implosión generada por un rayo láser, pero un campo magnético confina el blanco de plasma y aisla la pared inercial que hace implosión para causar la fusión. ¿Puedo obtener el modelo compacto? Aún si se logra la fusión, los métodos actuales son muy incómodos para su uso en cohetes. “La masa es particularmente prohibitiva”, dijo el Profesor T. Kammash de la Universidad de Michigan. “Queremos hacer que la física trabaje sin el uso de magnetos muy grandes”. Los magnetos en espejo para un cohete de fusión podrían pesar cerca de 401 tons. (toneladas-métricas), aproximadamente 16 veces lo que lleva de carga una simple nave espacial. Los radiadores de calor podrían aumentar 240 tons. Los estudiantes de Kammash están experimentando con un diseño de radiador por goteo que, utilizando litio como enfriador, podría reducir su masa a 57 toneladas. Ellos recientemente enviaron un modelo de prueba a bordo del avión KC-135 de la NASA de baja gravedad para probar un modelo del radiador. Un campo magnético giratorio podría inducir un campo magnético y corrientes eléctricas, “una forma lista de engañar al plasma” para comportarse como si estuviera en un sistema magnético convencional en espejo. En cambio, la masa de la nave espacial podría bajar de 720 a 230 toneladas, y el motor de 44-metros (144-ft) de largo podría tener un impulso específico de 130 000 segundos. “Es bastante impresionante”, dijo Kammash. Una de las posibilidades más intrigantes surgió en el pasado, hacia los años cincuenta y un concepto desarrollado por Philo Farnsworth, quien fuera pionero en la mayoría de las tecnologías fundamentales de televisión en los años 20 y 30. #4#“Esto realmente es un concepto neto, algo en lo que literalmente puedes poner tus manos alrededor”, dijo el Dr. Jon Nadler de NPL Associates in Champaign, III. Bajo un Pequeño Negocio de Investigación de Innovación auspiciado por el Laboratorio Marshall de la NASA, él esta trabajando con la Universidad de Ilinois Urbana-Champaign para desarrollar la idea que Fransworth tuvo en 1950: fusión en una pequeña botella. “Usted puede usar la potencia [que se generaría] para energizar la propulsión eléctrica, ó utilizar el plasma para el empuje”, Explicó Nadler. Una estrella en una botella. La técnica es llamada Confinamiento Inercial Electrostático (CIE), una técnica que evita el uso de magnetos masivos y evita los sistemas láser utilizados en otras técnicas de fusión de energía. En su lugar, el dispositivo CIE utiliza un cátodo hueco, y la carga natural de iones y electrones, para formar electrodos virtuales que confinan los iones en una región esférica en el centro del diámetro de 61 cm (2 pies) de una cámara CIE de vacío. “Los fondos SBIR del gobierno nos han permitido realizar algunos avances históricos”, dijo Nadler a la audiencia. Usando una fuente de energía por pulsos del orden de megavatios, El CIE logró su mayor corriente alterna de 17 amperios a 40,000 voltios. El CIE ha ido de producir un neutrón (liberado por la fusión de deuterio-deuterio) en cada 10 ciclos a más de 100 neutrones por ciclo. “Estoy feliz de reportar que todo está saliendo bien para incrementar la radioactividad”, dijo. “Y aun no hemos presionado nada”. #5#La fusión CIE trabajaría mejor con un par de ciclos inusuales de fusión. Uno utiliza Deuterio (Hidrógeno pesado), fácilmente obtenido del agua en la Tierra, y Helio 3 (Helio con ausencia de un neutrón), totalmente raro aquí pero posiblemente abundante en el suelo lunar expuesto a 4 000 millones de años de viento solar. El otro ciclo dispara protones contra Boro 11. Mientras que la propulsión real por fusión y antimateria permanecerá en los “cohetes del futuro” por algún tiempo, un híbrido de ambos podría trabajar en un futuro cercano. “Es un buen atajo”, dijo Schmidt de la fusión catalizada por antimateria. En este proceso, una pequeña cantidad de protones es disparada sobre un blanco de fusión. La aniquilación materia-antimateria resultante calienta un blanco lo suficiente para producir fusión termonuclear. Debido a las energías y a los costos implicados en la producción de antimateria, éste método no es práctico para la producción de energía en la Tierra. Más aún, es un consumidor neto de energía. Como todas las otras formas de propulsión de cohetes, ésta es una especie de batería en la cual la energía es expandida para proporcionar una gran cantidad en un pequeño espacio, disponible sobre demanda. Pero, ello podría llevar a un cohete con un impulso específico de 13 500 a 67 000 segundos (de 30 a 147 veces mejor que el motor principal de lanzamiento), dependiendo del esquema utilizado. “Las misiones de fusión podrían necesitar sólo algunos microgramos para llegar a la Nube de Oort”, la profunda región helada de cometas más allá de la órbita de Plutón, dijo Gerrish. La carga de antimateria podría costar cerca de US$60 millones. Para alcanzar las estrellas se podrían requerir toneladas métricas.