Visul fuziunii nucleare a fost urmărit de unele dintre cele mai strălucite minți ale lumii timp de decenii, pentru că reproducerea funcționării interne a stelelor aici, pe Pământ, ar însemna energie curată practic nelimitată. În ciuda unei lungi istorii de încercări și a mai multor descoperiri, visul nu s-a transformat încă în realitate și probabil că mai sunt mulți ani până când vom vedea o centrală electrică de fuziune funcționând, scrie CNN.
Desfășurarea procesului în spațiu poate părea o adăugare de complexitate suplimentară la o tehnologie deja complexă, dar teoretic ar putea avea loc mai repede decât pe Pământ. Și ar putea ajuta navele spațiale să atingă viteze de până la 805.000 de kilometri pe oră - mai mult decât cel mai rapid obiect construit vreodată, sonda solară Parker a NASA, care a atins 692.000 de kilometri pe oră.
Cu finanțare de la Agenția Spațială Britanică, start-up-ul britanic Pulsar Fusion a prezentat Sunbird, un concept de rachetă spațială proiectat să întâlnească nave spațiale pe orbită, să se atașeze de ele și să le transporte la destinație la o viteză amețitoare, folosind fuziunea nucleară.
„Este foarte nefiresc să facem fuziune pe Pământ”, spune Richard Dinan, fondator și CEO al Pulsar. „Fuziunea nu vrea să funcționeze într-o atmosferă. Spațiul este un loc mult mai logic și mai sensibil pentru a realiza fuziunea, pentru că acolo vrea să se întâmple oricum”.
Deocamdată, Sunbird se află în stadiile incipiente de construcție și are de depășit provocări tehnice excepționale, dar Pulsar spune că speră să realizeze fuziunea pe orbită pentru prima dată în 2027. Dacă racheta va deveni vreodată operațională, ea ar putea într-o zi să reducă la jumătate timpul de călătorie al unei potențiale misiuni către Marte.
Fuziunea nucleară este diferită de fisiunea nucleară, care este cea care alimentează centralele nucleare actuale. Fisiunea funcționează prin scindarea elementelor radioactive grele, precum uraniul, în elemente mai ușoare, cu ajutorul neutronilor. Cantitatea mare de energie eliberată în acest proces este utilizată pentru a produce electricitate.
Fuziunea face opusul: combină elemente foarte ușoare, precum hidrogenul, în elemente mai grele, folosind temperaturi și presiuni ridicate. „Soarele și stelele sunt toate reactoare de fuziune”, spune Dinan. „Ele sunt fierbătoare de elemente - transformă hidrogenul în heliu - și apoi, pe măsură ce mor, creează elementele grele care alcătuiesc totul. În cele din urmă, universul este format în cea mai mare parte din hidrogen și heliu, iar tot restul a fost gătit într-o stea prin fuziune.”
Fuziunea este căutată pentru că eliberează de patru ori mai multă energie decât fisiunea și de patru milioane de ori mai multă energie decât combustibilii fosili. Dar, spre deosebire de fisiune, fuziunea nu necesită materiale radioactive periculoase - în schimb, reactoarele de fuziune ar utiliza deuteriu și tritiu, atomi grei de hidrogen care au neutroni suplimentari. Acestea ar funcționa cu cantități infime de combustibil și nu ar produce deșeuri periculoase.
Cu toate acestea, fuziunea necesită multă energie pentru a se declanșa, deoarece trebuie create condiții similare miezului unei stele - temperatură și presiune extrem de ridicate, împreună cu o izolare eficientă pentru a menține reacția în desfășurare. Provocarea de pe Pământ a fost de a crea mai multă energie din fuziune decât cea necesară pentru a începe, dar până acum laboratoarele abia au reuțit să producă tot atâta energie câtă au consumat pentru reacția în sine.
Dar dacă generarea de energie nu este obiectivul, lucrurile devin mai puțin complicate, spune Dinan. Obiectivul mai simplu este de a crea o viteză de evacuare mai mare.
Reacțiile care alimentează fuziunea nucleară au loc în interiorul unei plasme - un gaz fierbinte, încărcat electric. La fel ca reactoarele propuse pe Pământ, Sunbird ar folosi magneți puternici pentru a încălzi o plasmă și a crea condițiile pentru ca acest combustibil - care ar fi de ordinul gramelor - să se ciocnească și să fuzioneze. Dar, în timp ce pe Pământ reactoarele sunt circulare, pentru a împiedica particulele să scape, pe Sunbird acestea ar fi liniare - deoarece particulele care se scurg ar propulsa nava spațială.
În cele din urmă, reacția de fuziune nu ar produce neutroni, pe care reactoarele de pe Pământ îi folosesc pentru a genera căldură; în schimb, Sunbird ar folosi un tip de combustibil mai scump numit heliu-3 pentru a produce protoni, care pot fi folosiți ca „evacuare nucleară” pentru a asigura propulsia.
Procesul Sunbird ar fi costisitor și nepotrivit pentru producerea de energie pe Pământ, spune Dinan, dar deoarece obiectivul nu este producerea de energie, procesul poate fi ineficient și costisitor, dar totuși valoros, deoarece ar reduce costurile cu combustibilul, ar reduce greutatea navelor spațiale și le-ar duce la destinație mult mai repede.
Rachetele Sunbird ar funcționa la fel ca bicicletele de oraș la stațiile de andocare, potrivit lui Dinan: „Le lansăm în spațiu și am avea o stație de încărcare unde ar putea sta și apoi s-ar întâlni cu nava ta”, spune el. „Opriți motoarele cu combustie ineficiente și folosiți fuziunea nucleară pentru cea mai mare parte a călătoriei. În mod ideal, ați avea o stație undeva în apropiere de Marte și o stație pe orbita joasă a Pământului, iar (rachetele Sunbirds) ar merge înainte și înapoi.”
Unele componente vor avea o demonstrație pe orbită în acest an. „Sunt practic plăci de circuite care vor fi testate, pentru a ne asigura că funcționează. Nu este foarte interesant, pentru că nu există fuziune, dar trebuie să o facem”, spune Dinan. „Apoi, în 2027, vom trimite o mică parte din Sunbird pe orbită, doar pentru a verifica dacă fizica funcționează așa cum presupune computerul. Aceasta este prima noastră demonstrație pe orbită, în cadrul căreia sperăm să realizăm fuziunea în spațiu. Și sperăm că Pulsar va fi prima companie care va realiza acest lucru.”
Acest prototip va costa aproximativ 70 de milioane de dolari, potrivit lui Dinan, și nu va fi un Sunbird complet, ci mai degrabă un „experiment de fuziune liniară” pentru a dovedi conceptul. Primul Sunbird funcțional va fi gata patru-cinci ani mai târziu, spune el, cu condiția ca finanțarea necesară să fie asigurată.
Inițial, propulsoarele vor fi oferite pentru naveta sateliților pe orbită, dar adevăratul lor potențial va intra în joc cu misiunile interplanetare. Compania ilustrează câteva exemple de misiuni pe care Sunbird le-ar putea debloca, cum ar fi livrarea unei încărcături de până la 2.000 de kilograme pe Marte în mai puțin de șase luni, desfășurarea de sonde către Jupiter sau Saturn în doi până la patru ani (Europa Clipper de la NASA, lansată în 2024 către unul dintre sateliții lui Jupiter, va ajunge după 5,5 ani) și o misiune de minerit pe asteroizi care ar finaliza o călătorie dus-întors către un asteroid din apropierea Pământului în unul până la doi ani în loc de trei.
Alte companii lucrează la motoare de fuziune nucleară pentru propulsie spațială, inclusiv Helicity Space, cu sediul în Pasadena, SUA, care a primit investiții din partea gigantului aerospațial Lockheed Martin în 2024. General Atomics din San Diego și NASA lucrează la un alt tip de reactor nuclear - bazat mai degrabă pe fisiune decât pe fuziune - pe care intenționează să îl testeze în spațiu în 2027. Acesta este, de asemenea, conceput ca un sistem de propulsie mai eficient pentru o misiune cu echipaj pe Marte în comparație cu opțiunile actuale.
Potrivit lui Aaron Knoll, lector superior în domeniul propulsiei cu plasmă pentru nave spațiale la Imperial College din Londra, care nu este implicat în Pulsar Fusion, există un potențial uriaș pentru valorificarea energiei de fuziune pentru propulsia navelor spațiale. „Deși mai sunt câțiva ani până când energia de fuziune va deveni o tehnologie viabilă pentru generarea de energie pe Pământ, nu trebuie să așteptăm pentru a începe să folosim această sursă de energie pentru propulsia navelor spațiale”, spune el.
Motivul, adaugă el, este că, pentru a genera energie pe Pământ, cantitatea de energie produsă trebuie să fie mai mare decât energia introdusă. Dar atunci când se utilizează energia de fuziune pe o navă spațială pentru a genera propulsie, orice energie produsă este utilă - chiar dacă este mai mică decât energia furnizată. Toată această energie combinată, provenită de la sursa de alimentare externă și de la reacțiile de fuziune împreună, va acționa pentru a crește împingerea și eficiența sistemului de propulsie.
Cu toate acestea, adaugă el, există obstacole tehnice semnificative în realizarea tehnologiei de fuziune în spațiu. „Proiectele actuale de reactoare de fuziune de pe Pământ sunt sisteme mari și grele, care necesită o infrastructură de echipamente de sprijin, cum ar fi stocarea energiei, sursele de alimentare, sistemele de livrare a gazelor, magneții și echipamentele de pompare în vid”, spune el. „Miniaturizarea acestor sisteme și ușurarea lor reprezintă o provocare inginerească considerabilă”.
Bhuvana Srinivasan, profesoară de aeronautică și astronautică la Universitatea din Washington, care, de asemenea, nu este implicată în Pulsar, este de acord că propulsia prin fuziune nucleară reprezintă o promisiune substanțială pentru zborurile spațiale: „Ar fi extrem de benefică chiar și pentru o călătorie spre Lună, deoarece ar putea oferi mijloacele de a desfășura o întreagă bază lunară cu echipaj într-o singură misiune. Dacă va avea succes, va depăși tehnologiile de propulsie existente nu doar în mod incremental, ci în mod dramatic”, spune ea. Cu toate acestea, ea subliniază, de asemenea, dificultățile de a o face compactă și ușoară, o provocare inginerească suplimentară care este mai puțin luată în considerare pentru energia terestră.
Potrivit lui Srinivasan, deblocarea propulsiei prin fuziune nu numai că ar permite oamenilor să călătorească mai departe în spațiu, dar ar schimba regulile jocului pentru misiunile fără echipaj, de exemplu pentru a aduna resurse precum heliul-3, un combustibil de fuziune care este rar pe Pământ și trebuie creat artificial, dar ar putea fi abundent pe Lună: „Dacă putem construi o bază lunară care ar putea fi un punct de plecare pentru explorarea spațiului îndepărtat, accesul la o potențială rezervă de heliu-3 ar putea fi neprețuit”, spune ea.
„Explorarea planetelor, a lunilor și a sistemelor solare mai îndepărtate este fundamentală pentru natura noastră curioasă și exploratorie ca oameni și, în același timp, poate conduce la beneficii financiare și societale substanțiale în moduri pe care nu le putem realiza încă.”