Spre Marte în câteva săptămâni, spre Saturn în câteva luni, spre Pluto în câțiva ani. Asta promit, de multă vreme, călătoriile spațiale alimentate prin fuziune nucleară.
Timp de decenii, astfel de posibilități au rămas teoretice, desprinse parcă dintr-un roman științifico-fantastic. Acum însă mai multe companii lucrează la motoare cu fuziune nucleară care să funcționeze în practică, și au înregistrat deja progrese semnificative.
Pulsar Fusion, un start-up cu sediul în Marea Britanie, speră să lanseze o misiune demonstrativă în spațiu în 2027. În SUA, Universitatea Princeton și compania aerospațială Helicity Space își continuă propriile cercetări asupra motoarelor cu fuziune.
Dacă vreunul dintre aceste eforturi va reuși, misiunile prin sistemul solar ar putea deveni posibile ca niciodată până acum, atât pentru roboți, cât și pentru oameni. Ne-am transforma astfel într-o adevărată specie care călătorește prin spațiu. „Dacă continuăm pe traiectoria actuală, tot ce știm despre călătoriile spațiale se va schimba într-un deceniu”, a declarat Stephane Lintner, CEO și cofondator al Helicity Space.
Rămâne de văzut dacă omenirea se află cu adevărat în pragul unei revoluții a zborurilor spațiale sau dacă totul e prea frumos ca să fie adevărat. Visul propulsiei prin fuziune ar putea deveni într-o zi pe deplin realitate. La fel de bine, ar putea rămâne o fantezie din paginile unui caiet de schițe. După decenii de visuri, s-ar putea să fim aproape de a afla răspunsul.
De ce fuziunea în spațiu este mai simplă decât pe Pământ
Fuziunea nucleară este procesul prin care doi atomi se combină, adică fuzionează, și formează unul mai greu. Surplusul de energie se eliberează sub formă de lumină și căldură. Cel mai cunoscut exemplu are loc în interiorul Soarelui. Acolo, la temperaturi de până la 15 milioane de grade Celsius (27 de milioane de grade Fahrenheit), atomii de hidrogen fuzionează și formează heliu.
Dacă procesul ar putea fi reprodus pe Pământ, ne-ar oferi cantități uriașe de energie. „Sfântul Graal este energia gratuită pentru toată lumea”, a spus Lintner. Orașe și țări întregi s-ar transforma, iar lumea ar intra într-o nouă eră a energiei curate și abundente.
Experimentele și testele au fost numeroase, iar instalații de fuziune la scară mare, precum Reactorul Termonuclear Experimental Internațional (ITER) din Franța, sunt în construcție. Totuși, nu a fost construit încă niciun reactor de fuziune viabil din punct de vedere comercial. Una dintre principalele probleme ține de plasma de care are nevoie fuziunea, turbulentă și extrem de fierbinte. Ea trebuie ținută închisă și la temperatura potrivită. Recordul actual este de 22 de minute.
Transpus în spațiu, același concept devine brusc o sursă de energie pentru o navă. În plus, problemele legate de menținerea plasmei nu mai apar în aceeași formă. Plasma poate fi expulzată din navă și oferă o forță de propulsie constantă. Această forță poate accelera nava la viteze enorme în vidul spațiului, unde nu există frecare.
„Propulsia prin fuziune este, în anumite privințe, mai dificilă, iar în altele mai ușoară decât producția de energie pe Pământ”, a declaret Bhuvana Srinivasan, profesor de aeronautică și astronautică la Universitatea din Washington.
Prin această metodă, o navă spațială alimentată prin fuziune ar putea fi accelerată până la sute sau chiar mii de mile pe secundă. Ar fi de câteva ori mai rapidă decât orice navă spațială din istorie. În scenariul cel mai optimist, o astfel de navă ar putea atinge fracțiuni semnificative din viteza luminii, ceea ce ar face posibilă călătoria interstelară.
Provocările sunt, desigur, uriașe. Un reactor de fuziune pentru spațiu trebuie să fie suficient de mic încât să încapă într-o navă spațială montată pe o rachetă. Nu e o sarcină ușoară, pentru că reactoarele de fuziune precum ITER au dimensiunile unor case. E nevoie, de asemenea, de o modalitate de a genera căldura imensă de care depinde fuziunea și de o sursă de combustibil și de propulsor. În plus, e nevoie de magneți puternici care să împiedice plasma să ardă pereții motorului.
Această provocare legată de rezistența materialelor aduce tehnologia fuziunii direct pe meleagurile noastre, pe platforma științifică de la Măgurele. Prin consorțiul european EUROfusion și sub coordonarea Institutului de Fizică Atomică (IFA), cercetătorii de la Institutul Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR) dezvoltă straturi protectoare speciale pe bază de wolfram și metode avansate de diagnosticare a plasmei. Concepute inițial pentru a proteja pereții reactoarelor terestre precum ITER de temperaturi de zeci de milioane de grade, aceste soluții de acoperire sunt analizate de inginerii aerospațiali pentru a proteja duzele motoarelor cu plasmă împotriva eroziunii premature.
Pentru o forță de propulsie semnificativă e nevoie de un număr uluitor de reacții de fuziune în fiecare secundă. Un trilion de reacții ar furniza aproximativ 10 newtoni de forță de propulsie, echivalentul greutății unei sticle de apă de 1 litru ținute în mână. Un motor alimentat prin fuziune ar furniza însă această forță luni întregi, nu câteva minute, ca propulsia chimică obișnuită. Așa, nava ar putea ajunge în cele din urmă la viteze mari.
La prima vedere, totul ar putea părea aproape imposibil. Unele teste recente au arătat însă că ar putea fi plauzibil.
Testul Sunbird: confinarea magnetică a plasmei de kripton
În martie, Pulsar Fusion a demonstrat în premieră „prima plasmă” în interiorul unui motor cu fuziune nucleară. Testul a avut loc la sediul companiei din Bletchley. Unul dintre motoarele sale Sunbird a transformat pentru scurt timp gazul kripton în plasmă. Testul a arătat astfel cum ar putea compania să confineze plasma în sistemul său de evacuare.
Demonstrația a arătat că „plasma va rămâne în sistem exact acolo unde doriți. Provocarea actuală este să reușim să încălzim plasma la temperaturi mai apropiate de cele necesare fuziunii”, confinată de un câmp electromagnetic, a declarat Richard Dinan, CEO-ul și fondatorul companiei.
Gazul kripton nu a fost utilizat drept combustibil de fuziune, ci ca mediu de calibrare pentru a verifica dacă geometria electromagnetică a duzei de evacuare poate orienta fluxul fără a distruge pereții camerei. Următoarea etapă a echipei britanice presupune instalarea unor magneți supraconductori de temperatură înaltă (HTS), capabili să genereze câmpuri de mare intensitate pentru comprimarea plasmei, alături de ecrane de protecție împotriva radiației neutronice dezvoltate în parteneriat cu Autoritatea pentru Energie Atomică din Regatul Unit (UKAEA).
Dinan a fondat Pulsar Fusion în 2011, cu scopul de a construi un sistem de propulsie alimentat prin fuziune. Planul companiei este să fuzioneze heliu-3 și deuteriu, adică o formă mai ușoară de heliu și o formă mai grea de hidrogen. Energia rezultată ar încălzi heliu-4, care ar fi apoi expulzat ca propulsor pentru a genera tracțiune. Cât de mare poate fi această forță depinde de „cât de bine reușești să devii aceste particule spre partea din spate a navei spațiale”, a spus Dinan.
Pentru o călătorie spre Marte, procesul de fuziune ar avea nevoie de doar câteva sute de grame de combustibil din deuteriu și heliu-3, a spus Dinan. Pe de altă parte, el susține că racheta ar avea nevoie de 10 până la 20 de tone de propulsor pe bază de deuteriu. Numai așa ar furniza forța necesară vitezelor pe care le speră compania.
Dacă vor reuși să o pună în funcțiune, cei de la Pulsar au planuri ambițioase. Compania își imaginează flote de vehicule Sunbird care traversează sistemul solar și transportă oameni și marfă între diverse destinații. Vitezele ar ajunge până la 529.000 km/h, de aproximativ 10 ori mai mult decât viteza sondei Voyager 1, care călătorește în prezent în afara sistemului solar.
Aceste viteze nu se ating instantaneu, pentru că nava are nevoie de luni întregi ca să accelereze și să decelereze. Chiar și așa, durata unei călătorii spre Marte ar putea fi redusă la jumătate față de cele nouă luni necesare cu propulsia chimică convențională. Fuziunea este mai eficientă și cere mai puțin combustibil, așa că s-ar putea elibera greutate pentru echipamente. Ar deveni posibile și misiuni mai rapide spre destinații mai îndepărtate, cum ar fi Titan, luna lui Saturn, sau asteroidul Psyche, bogat în metale.
„Cred că vom vedea fuziunea ca sistem de propulsie destul de curând. Cererea există cu siguranță”, a spus Dinan.
Zece milioane de grade, din cele un miliard necesare
Metoda de propulsie a Pulsar Fusion se numește fuziune directă duală: plasma rezultată din proces este folosită direct pentru a genera forță de propulsie. Samuel Cohen, profesor de fizică la Universitatea Princeton, lucrează la un concept similar, Direct Fusion Drive, în cadrul unui proiect numit Starfire.
Cohen și echipa sa studiază conceptul de peste 20 de ani. Ideea lor este să fuzioneze deuteriu și heliu-3, un element rar pe Pământ, dar abundent pe Lună. La Princeton, echipa a construit un prototip de propulsor cu fuziune a cărui plasmă atinge 10 milioane de grade Celsius (18 milioane de grade Fahrenheit).
„Este un început, dar trebuie să ajungi la un miliard de grade” Celsius pentru ca fuziunea dintre deuteriu și heliu-3 să aibă loc, a declarat Cohen. Există câteva abordări promițătoare pentru atingerea acestor temperaturi. Una ar fi comprimarea plasmei, alta ar fi încălzirea ei cu fascicule de unde radio ori de neutroni.
Cu plasma de acum, susține Cohen, echipa a demonstrat o forță de propulsie redusă: câteva miligrame sau câteva sutimi de miime de newton. Cercetătorii speră acum să obțină mai multe fonduri ca să-și dezvolte conceptul. „Avem nevoie de câteva milioane de dolari pentru a demara proiectul”, a spus Cohen.
Cu suficient sprijin, a spus Cohen, echipa ar putea avea un sistem funcțional de propulsie prin fuziune în 10–20 de ani. Între timp, Pulsar Fusion speră să facă o demonstrație a propulsoarelor sale pe orbită până în 2027. Compania a primit sprijin de la Agenția Spațială Europeană și de la Autoritatea pentru Energie Atomică din Marea Britanie.
Helicity Space își propune să lanseze propriul sistem de propulsie prin fuziune în anii 2030. Compania a strâns 5 milioane de dolari în 2023 și dezvoltă Helicity Drive. Acest sistem generează forță de propulsie prin impulsuri de plasmă, nu prin fuziune continuă.
„Dacă obții o reacție la fiecare câteva secunde, este un experiment științific uimitor pe Pământ, dar nu poți face nimic cu el. În spațiu, ai cel mai avansat sistem de propulsie electrică construit vreodată. Schimbi complet regulile jocului în propulsie”, a spus Lintner.
Potrivit lui Lintner, firma își propune „să atingă temperaturile de fuziune foarte, foarte curând”, iar apoi „plănuiește să lanseze un prim prototip în termen de trei ani”. Până în anii 2030, Lintner speră să obțină un câștig net în motoarele sale de fuziune, adică mai multă energie produsă decât consumată. Astfel, compania ar avea un adevărat sistem de propulsie cu fuziune, gata de folosit în spațiu.
Fisiune contra fuziune: de ce NASA alege reactorul SR-1 Freedom
Nu toată lumea este însă convinsă că propulsia prin fuziune ne va purta prin sistemul solar. John Slough lucrează la propriul proiect de rachetă cu fuziune, numit Fusion Driven Rocket (FDR). El a declarat că este sceptic față de „promisiunile false” din domeniu și a subliniat că o mare parte din fizica pe care se bazează propulsia prin fuziune rămâne extrem de complexă.
„Încă depindem de descoperiri științifice ca să avansăm în acest domeniu. Trebuie să ne dăm seama cum menținem acest combustibil stabil. Vom rezolva o mare parte din provocările inginerești și științifice? Nu se va întâmpla anul viitor”, a spus Srinivasan.
Ea a adăugat că stabilitatea plasmei nu este singura provocare rămasă. Mai trebuie dezvoltați pereți care să poată conține suficient de bine plasma, iar sistemul de fuziune trebuie micșorat astfel încât să încapă într-o navă spațială.
Alte forme de propulsie nucleară ar putea fi mai promițătoare. NASA dezvoltă SR-1 Freedom, o navă spațială alimentată prin fisiune nucleară, nu prin fuziune. Obiectivul, anunțat în martie, este ca nava să fie lansată spre Marte până în decembrie 2028. Acolo vor fi trimise trei elicoptere robotizate de mici dimensiuni, care să exploreze suprafața. Reactorul de fisiune ar diviza uraniu-235 pentru a genera forță de propulsie.
„SR-1 Freedom va deschide calea pentru echipamentele nucleare spațiale. Pentru a menține o prezență pe Lună, a trimite echipaje pe Marte și a explora sistemul solar exterior, națiunea are nevoie de o sursă de energie care să funcționeze oriunde, independent de Soare, iar fisiunea nucleară este acea sursă”, a declarat Steven Sinacore, directorul programului Space Reactor-1 Freedom al NASA.
Deși extrem de utilă, propulsia prin fisiune nu poate atinge vitezele promise de fuziune. Motivul este că sistemele de fuziune confinează magnetic plasma, deci pot ajunge la temperaturi mult mai ridicate. În fisiune, temperaturile sunt limitate de materialele reactorului în care au loc reacțiile.
Misiunea spre Sedna: fereastra unică din următorii 11.000 de ani
Dacă vreunul dintre conceptele de fuziune propuse ar deveni realitate, posibilitățile ar fi enorme. Anul trecut, Elena Ancona, inginer de dinamica zborului la Universitatea Politehnică din Bari, Italia, și colegii ei au descris cum un motor cu fuziune directă ar putea face posibilă o misiune spre Sedna. Sedna este o planetă pitică înghețată și îndepărtată, situată mult dincolo de Neptun. Pentru o astfel de misiune, timpul este esențial.
Planeta pitică va ajunge în punctul cel mai apropiat de Soare în 2075 și nu se va mai apropia atât de mult încă 11.000 de ani. „Dacă vrem să realizăm această misiune, trebuie s-o facem fie acum, fie peste 11.000 de ani”, a spus Ancona. Cu o navă cu propulsie chimică tradițională, misiunea ar trebui lansată cu 30 de ani înainte. Cu propulsie prin fuziune, nava ar putea ajunge la Sedna în doar 10 ani.
În lucrarea publicată de Elena Ancona și colegii săi, avantajul decisiv al motorului Direct Fusion Drive (DFD) de 1,6 megawați nu este doar viteza de croazieră, ci capacitatea de a frâna pentru intrarea pe orbită în jurul Sednei. Spre deosebire de o velă solară avansată — care ar putea atinge planeta pitică în circa șapte ani, dar ar trece pe lângă ea într-un simplu survol de câteva ore —, propulsia prin fuziune livrează continuu atât tracțiune, cât și electricitate de bord, permițând analizarea prelungită a unui corp ceresc înghețat aflat la marginea sistemului solar.
Dacă propulsia prin fuziune ar deveni realitate, mult mai multe destinații ar fi la îndemână. Pe termen lung, poate chiar și călătoria interstelară ar deveni posibilă. „Oamenii știu încă din anii 1960 că fuziunea este răspunsul pentru călătoriile în spațiul îndepărtat”, a spus Lintner. „Abia în ultimul deceniu, din punct de vedere comercial, oamenii au început să dedice mult timp descifrării secretului fuziunii.” Tot el a spus: „Nu este pentru cei slabi de inimă.”
Fuziunea spațială nu este constrânsă de cerințele stricte ale producției de energie pentru rețelele electrice, ci de eficiența cu care poate evacua plasma în vid pentru a genera accelerație constantă. Între demonstrația orbitală planificată de Pulsar Fusion pentru 2027 și misiunea cu reactor de fisiune pregătită de NASA pentru 2028, sfârșitul acestui deceniu va arăta dacă fizica plasmei poate transforma distanțele interplanetare din bariere insurmontabile în rute de tranzit predictibile.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Luna s-ar fi putut forma aproape intactă, la doar câteva ore după ce Theia a lovit Pământul
Un mister vechi de un secol din norii lui Venus a devenit și mai straniu
De ce e Venus mai fierbinte decât Mercur, deși Mercur se află mult mai aproape de Soare
Test de cultură generală: unde se află cel mai înalt munte din sistemul solar și cum se numește acesta?
