Estudio de propulsión eléctrica: Avances en física del plasma y tecnología nuclear.
Este autor ha cubierto la propulsión MHD/EHD en el pasado y también ha explorado opciones de energía nuclear compacta para impulsar potencialmente dichas naves. La categoría general de “propulsión eléctrica” cubre tanto MHD como EHD, así como otros métodos que involucran plasmas, campos eléctricos y campos magnéticos. En una serie de artículos, este autor ha utilizado fuentes como documentos técnicos oficiales de la NASA, DIA, USAF, DOE y patentes estadounidenses. Sin embargo, está claro que estas fuentes aparentemente todavía no son suficientes para algunas personas. La gente todavía exigía artículos académicos revisados por pares, vídeos que demostraran dicha tecnología y ejemplos de empresas que la están desarrollando. Este artículo explorará esos resultados y, con suerte, finalmente convencerá a los escépticos de que esta tecnología no sólo es muy posible sino que se está buscando activamente y se están probando productos funcionales.
En el Plan Estratégico 2022 oficial y publicado públicamente de la NASA, afirman claramente que “La energía nuclear espacial es una capacidad esencial, incluida la propulsión eléctrica nuclear para el transporte espacial y la tecnología de energía de superficie de fisión para operar en la superficie de la Luna y Marte” en la página 59 y afirma en la página 67: «MSFC también lidera el Proyecto de Propulsión Nuclear Espacial para TDM, así como varios proyectos de maduración para el GCD de la NASA».
Actualmente, la NASA está más interesada en la energía de fisión en la Luna y la propulsión térmica nuclear y solo examina la propulsión eléctrica nuclear, pero otros grupos, incluida la Agencia Espacial Europea (ESA) , también están explorando métodos de propulsión eléctrica .
La ESA y otros grupos han estado explorando lo que se conoce como propulsión eléctrica por respiración de aire o atmósfera por respiración (ABEP), que permite reducir la altitud de operaciones de las naves espaciales por debajo de los 250 km, en las llamadas Órbitas Terrestres Muy Bajas (VLEO). En un artículo reciente de 2022 publicado en el Journal of Electric Propulsion, revisado por pares , titulado “Una revisión de la propulsión eléctrica con respiración de aire: desde los estudios de misión hasta la verificación de la tecnología”, los autores afirman que “ABEP combina una toma para recolectar la atmósfera residual frente a la nave espacial”. y un propulsor eléctrico para ionizar y acelerar las partículas atmosféricas. Ese gas residual puede explotarse como recurso renovable no sólo para mantener la nave espacial en un VLEO, sino también para eliminar el principal factor limitante de la vida útil de la nave espacial, es decir, la cantidad de propulsor almacenado”. El artículo también señala que los primeros conceptos ABEP propuestos utilizando MHD y fuentes de energía nuclear se remontan a 1959 por Demetriades. No es exactamente una idea nueva. Como señaló en artículos anteriores de este autor, la DIA hizo un análisis técnico de esto en 2010 y afirmó que se predijo que Japón, Rusia y China demostrarían dicha tecnología para 2020 y que la aplicación de fuentes de energía nuclear a bordo permitiría para “propulsión y rendimiento aerodinámico mucho más allá de las tecnologías convencionales actuales”. Continúa diciendo: “Para las naves espaciales, la tendencia actual de reemplazar los cohetes químicos con sistemas de propulsión eléctrica continuará y es probable que se convierta en el estándar . Los sistemas eléctricos pueden proporcionar un rango de operación mucho más amplio (por ejemplo, posicionamiento/apuntamiento fino de bajo empuje, maniobras más frecuentes o no tradicionales y tiempos más prolongados en la estación) que los sistemas químicos”.
Además, el reciente artículo revisado por pares en el Journal of Electric Propulsion (vinculado arriba) concluye: «Si un propulsor fuera capaz de ionizar eficientemente el propulsor entrante a una densidad aproximadamente uno o dos órdenes de magnitud menor que la de los dispositivos convencionales, la resistencia total podría lograrse una compensación. Como se analiza en la revisión, parece que un avance tecnológico relacionado con la compresión de admisión o un nuevo diseño de propulsor compatible con una operación de muy baja densidad podría ser factible en un futuro cercano, lo que haría de ABEP una solución viable”. Esta declaración analiza el potencial de eliminar el boom sónico mientras se viaja a velocidades supersónicas, como he cubierto en artículos anteriores (también vinculados arriba), es teóricamente posible. Puede encontrar una revisión adicional de la tecnología ABEP en la literatura revisada por pares aquí .
El Comité Nacional de Mecánica de Fluidos creó en 1955 un excelente video para educar a los estudiantes universitarios sobre magnetohidrodinámica. Puede que valga la pena verlo si toda esta información le resulta demasiado difícil de digerir.
Este autor ha sido excluido de r/futurology y r/physics por discutir estos temas y compartir el material anterior a pesar de hacer referencia a fuentes académicas. Las razones dadas para las prohibiciones permanentes fueron «acientíficas» y «pseudocientíficas». La mayoría de las personas parecen ser tan ignorantes sobre estos temas que atacan y ridiculizan muy irónicamente a otros que intentan discutirlos.
En un artículo de 2017 titulado » Primer avance para futuros sistemas de propulsión magnetoplasma con respiración de aire «, se anunció un avance potencialmente enorme en esta tecnología. El siguiente resumen dice:
“Se logra un nuevo avance en la tecnología de propulsión a reacción desde la invención del motor a reacción. Se han completado con éxito las primeras pruebas críticas para los futuros sistemas de propulsión por magnetoplasma que respiran aire. En este sentido, también es la primera vez que se puede encender una descarga de foco de plasma denso en una atmósfera y accionarla en modo de pulso usando excitaciones electrostáticas muy rápidas de nanosegundos para inducir canales de plasma autoorganizados para el encendido de la descarga principal propulsora. Dependiendo del voltaje del capacitor (200 a 600 V), la entrada de energía en una atmósfera varía de 52 a 320 J/pulso, correspondiente a bits de impulso de 1,2 a 8,0 mN. Un nuevo sistema de propulsión de plasma pulsado impulsado con mil impulsos por segundo ya tendría relaciones empuje-área (50-150 kN/m²) de los motores a reacción modernos. Una serie de propulsores podría permitir que futuros aviones y dirigibles partan desde tierra y alcancen altitudes de hasta 50 kilómetros y más. La alta potencia necesaria podría ser proporcionada por futuros reactores compactos de fusión de plasma que ya están en desarrollo por empresas aeroespaciales. El compresor de magnetoplasma fue desarrollado originalmente por científicos rusos como dispositivo de fusión de plasma y luego fue miniaturizado para aplicaciones de control de flujo supersónico. Así que el primer avance se basa en una tecnología derivada de fusión de plasma”.
Los autores afirman que su demostración más reciente utilizando un dispositivo de enfoque de plasma denso (DPF) abre la puerta para permitir aviones de propulsión eléctrica con relaciones de empuje a área de los aviones modernos. También menciona que la energía podría ser proporcionada por reactores de fusión compactos que ya están en desarrollo por empresas aeroespaciales que utilizan la misma tecnología DPF. Esto nos lleva al tema de la tecnología DPF para fusión compacta, que muy pocas personas conocen. En 2001, el JPL de la NASA financió una investigación sobre la tecnología de propulsión por fusión DPF en la Universidad Texas A y M. El estudio estuvo dirigido por el físico del plasma Eric Lerner, el Dr. Bruce Freeman de la Universidad Texas A y M y el Dr. Hank Oona del Laboratorio Nacional de Los Álamos. La investigación dio como resultado una temperatura del plasma récord de más de mil millones de grados y demostró que este enfoque hace posible una forma de fusión aneutrónica utilizando hidrógeno y combustible de boro. El enfoque no requiere reactivos radiactivos y no genera ningún residuo radiactivo. También produce su energía en forma de un haz de iones que se puede convertir directamente en electricidad. Los resultados se publicaron en una revisión por pares y se titularon » Hacia la fusión de combustible avanzado: energía de electrones e iones >100 keV en un plasma denso «.
Según Lerner en uno de sus planes de negocio tras publicar el artículo,
La nueva tecnología ya enfrenta esfuerzos para suprimirla. El Dr. Richard Seimon, director del programa de ciencia de la energía de fusión en Los Álamos, exigió que el Dr. Hank Oona, uno de los físicos involucrados en el experimento, se desvinculara de las comparaciones que mostraban que los nuevos resultados eran superiores en aspectos clave a los del tokamak. y eliminar su nombre del documento que describe los resultados. Seimon también presionó al Dr. Bruce Freeman, otro físico y coautor del artículo, para que abogara por la eliminación de todas las comparaciones con tokamak del artículo. Seimon no cuestionó los datos ni la consecución de temperaturas récord.Sin embargo, el tokamak, un dispositivo mucho más grande y más caro, ha sido la pieza central del esfuerzo de fusión estadounidense durante 25 años y aparentemente ahora se ve socavado por un advenedizo más pequeño. «A mis dos colegas en esta investigación los amenazaron con perder su trabajo si no se distanciaban de las comparaciones con el tokamak», dice Lerner.En 2002, el DOE de EE.UU. también insistió en que Robert Hirsch, de Rand Corp., retirara la evaluación negativa de otro informe de proyecto sobre la investigación de fusión de tokamak financiada con fondos federales, quien luego también fue despedido. Rand está esterilizando ahora el informe “Tecnologías energéticas para 2050” para su revisión por parte del DOE .
En resumen, los resultados potencialmente innovadores logrados con el DPF en Texas A y M bajo la financiación del JPL de la NASA se vieron socavados durante el proceso de publicación de los resultados cuando los superiores de Los Alamos National Labs supuestamente amenazaron con represalias contra algunos de los investigadores participantes si asociaban Se mostraron satisfechos con el artículo porque comparaba sus resultados con los conocidos y financiados proyectos de tokamak. Se da a entender que esto fue una presión aplicada por el Departamento de Energía (DOE) porque no parece que un pequeño proyecto con tan poca financiación pueda lograr mejores resultados que los proyectos de tokamak. Al presionar a los investigadores de Los Alamos National Labs para que se retiraran del artículo, se socavó la veracidad de los resultados (pero los resultados nunca fueron cuestionados).
Este autor ha hablado con Lerner en el pasado y, a pesar de los impresionantes resultados de su contrato con la NASA, no recibió más financiación. Por este motivo tomó su trabajo y creó su propia empresa y buscó inversores para avanzar en su investigación sobre la energía de fusión. Lerner también señala que Hirsch fue despedido de Rand Corp por criticar el tokamak en su informe para el DOE. Puede encontrar más información técnica sobre cómo se puede utilizar el DPF para crear una fusión aneutrónica aquí .
Desde el fiasco de la fusión del DPF, Lerner ha obtenido financiación de inversores privados y ha ampliado su trabajo en un reactor de fusión compacto con actualizaciones públicas periódicas sobre el progreso. Ha conseguido unos cuantos millones de dólares en financiación y actualmente está obteniendo otro artículo sobre la pureza récord en un plasma revisado por pares. Curiosamente, uno de los investigadores del proyecto original de Texas A y M pasó a trabajar para Ktech Corp en el desarrollo de energía dirigida, que finalmente fue comprada por Raytheon. El sitio web cuenta con tecnología de microondas de alta potencia, energía pulsada y haz de partículas cargadas para la Fuerza Aérea, la Armada, el Ejército, los Laboratorios Nacionales del Departamento de Energía y la industria aeroespacial. Parece que hay algún trabajo que indica que el DPF también se puede utilizar para generar microondas .
Parece que continuó trabajando en la física del plasma de alta densidad, pero en aplicaciones armadas en lugar de en la producción de energía.
Es muy posible que haya otros trabajando en el uso de DPF para dispositivos de fusión compactos, como sugiere el autor del artículo de 2017 sobre propulsión por respiración de aire (muchas de esas referencias están en ruso), pero ahora es el momento de profundizar en su trabajo desde entonces para comprender su trabajo en el lado de las aplicaciones de propulsión eléctrica. Berkant Göksel tiene muchos artículos publicados en esta área de investigación e incluso tiene demostraciones de prototipos MHD más livianos que el aire, así como planeadores MHD, pero ese trabajo es de 2005.
Su sitio web actual cuenta con mini UAV con capacidad de enjambre con capacidades VTOL y reducción de enjambre. formaciones de 4 a 6 vehículos. Algunos de ellos parecen ser sistemas híbridos y otros son planeadores, pero funcionan con tecnología de baterías. La compañía tiene planes de introducir fuentes de energía de pila de combustible de hidrógeno para una mayor densidad de energía y capacidades más impresionantes, incluyendo aviones de carga útil de propulsión totalmente eléctrica capaces de transportar a 2 personas y planea presentar la tecnología a mediados de 2023. Si esta tecnología funciona, hay No hay razón por la que no se pueda aplicar una fuente de energía de fusión compacta para aumentar radicalmente sus capacidades. De hecho, también se adapta bien a la energía solar y a las capacidades de transmisión de energía.
Berkant Göksel también afirma que los compresores miniaturizados de magnetoplasma (flujo) se pueden utilizar como actuadores de chorro de contraflujo a velocidades supersónicas e hipersónicas para reducir la resistencia mediante la división de ondas de choque con solitones de plasma no lineales. Esta afirmación tiene sentido y no debería sorprender. Se debe esperar que ionizar el aire frente al balístico y dividir los iones como un cuchillo caliente a través de mantequilla reduzca la resistencia y las ondas de choque. También existen los conocidos beneficios del sigilo del radar asociados con la tecnología de plasma y Göksel ha especulado sobre el uso de plasmas autoorganizados para imitar metamateriales con plasma para un tipo de tecnología de encubrimiento sintonizable que va más allá del simple radar o el espectro de banda única. Hace referencia a algunos artículos muy interesantes que muestran claramente la posibilidad teórica de tratar el plasma como un metamaterial para la tecnología de camuflaje. Todavía hay muchas sorpresas reservadas para los investigadores interesados en el campo de la física del plasma, ya que los investigadores anunciaron en 2021 un dispositivo de plasma a escala nanométrica que cambia tan rápido que no se puede medir y ni siquiera debería ser posible según la vieja escuela. física. Un dispositivo de este tipo aumentaría las capacidades de cualquier tecnología impulsada por plasma. Realmente parece que sólo hemos comenzado a arañar la superficie de lo que puede conducir la investigación sobre propulsión eléctrica.
Si todo esto suena demasiado fantasioso, no son sólo oscuros investigadores los que trabajan en este tema.
En 2020, Scientific American publicó un artículo sobre la empresa aeroespacial internacional Airbus y su investigación sobre “un nuevo dron llamado Low Observable UAV Testbed (LOUT), que, según se informa, combina varias tecnologías sigilosas no reveladas. Los indicios en la descripción del avión llevaron a algunos expertos en aviación a especular que uno de los poderes de evasión de radar del LOUT podría provenir de la falta de superficies de control móviles convencionales”. El título del artículo era «El próximo DARPA X-Plane no maniobrará como cualquier avión anterior» y el subtítulo era «El desafío es construir un avión sin superficies de control móviles».
¿Pero dónde está la evidencia en vídeo? Le prometieron demostraciones al principio de este artículo. En este momento es difícil conseguir prototipos funcionales en lugar de demostraciones de prueba de concepto sobre este tema.
Sin embargo, una empresa de drones tiene una demostración muy impresionante de un drone propulsado por viento iónico que se presentó en Nevada hace más de un año. “La empresa ha construido un prototipo de dron de aproximadamente las mismas dimensiones y configuración que un multirotor convencional, pero sin hélices. En cambio, utiliza iones cargados que existen en la atmósfera y atrae o repele esos iones según sea necesario para desarrollar empuje y maniobra. El prototipo mide cinco pies cuadrados y es capaz de volar hasta 15 minutos mientras lleva una carga útil de dos libras. Debido a la falta de hélices, el avión es prácticamente silencioso en vuelo, lo que lo convierte en un buen candidato para la entrega de carga y otras misiones en el entorno urbano donde el ruido puede ser un problema”.
Para ver una presentación en video con visión de futuro sobre MHD y propulsión eléctrica, puede ver el trabajo de AsteroX.
AsteronX es un grupo con visión de futuro interesado en el avance de la tecnología y la exploración espacial mediante propulsión eléctrica. También han promovido el trabajo de Leif Holmlid de la Universidad de Gothenberg, quien afirma haber obtenido resultados revolucionarios en la fusión catalizada por muones (un enfoque alternativo a la fusión no controvertido pero poco conocido) utilizando lo que él llama hidrógeno ultradenso . Sorprendentemente, publicó un artículo en 2015 afirmando haber tenido energía de fusión de equilibrio , pero parece que casi no recibió atención (positiva o negativa). En ese momento, su universidad respaldaba los resultados y parece que todavía está empleado y publicando artículos. No puedo encontrar a nadie que haya intentado replicar los resultados, por lo que no lo descartaría por completo antes de que se intente replicar. Es fácil comparar erróneamente su trabajo con la “fusión fría”, pero lo más preciso es afirmar que existe una forma previamente desconocida de crear muones a partir de hidrógeno que es práctica para aplicaciones como la fusión catalizada por muones, que se acepta como una forma legítima de crear fusión a baja temperatura. temperaturas entre el consenso de la comunidad científica. Quizás el NIF no fue el primero en lograr una fusión para alcanzar el punto de equilibrio. No está claro por qué el trabajo del profesor sueco es tan oscuro.
Muchos de los temas tratados en este artículo pueden parecer extravagantes para el lector, pero un científico senior de la NASA hizo una presentación al DOD donde predijo el tipo de tecnología que se usaría en la guerra para 2025 y cubre gran parte de este material. Si la DIA predijo que la respiración de aire MHD podría tener enormes avances demostrables en múltiples países para 2020 y el DOD está escuchando una predicción de la NASA de que un salto en la tecnología de drones se convertirá en parte de la guerra para 2025, entonces deberíamos estar abiertos a la tecnología y ideas discutidas en este artículo ahora mismo en 2023. Ah, y aquí hay una presentación del Departamento de Energía (DOE) y del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL) con investigadores del Centro de Investigación Glen de la NASA (el que está a cargo de esta investigación según el funcionario). Plan Estratégico de la NASA 2022) sobre estas mismas tecnologías que citan fuentes desde 2001 y también declaran en términos inequívocos el interés de la NASA en los temas. También dice claramente en la diapositiva 37 que «¡Es posible un flujo supersónico sin impactos!»
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