Füzyon roketi

Füzyon roketi, verimlilik ve büyük kütleli yakıtlar taşıma gereksinimi olmaksızın uzayda uzun vadeli ivme sağlayabilecek füzyon enerjisi ile çalışan kuramsal bir roket tasarımıdır. Tasarım füzyon enerjisi teknolojisindeki gelişimin bugünkü sınırların ötesinde ve uzay araçlarının yapımının günümüzdekinden daha büyük ve daha karmaşık olmasına dayanır. Daha küçük ve daha hafif füzyon reaktörleri manyetik hapsetme ve plazma kararsızlığının engellemesi için daha karmaşık yöntemlerin keşfi ile gelecekte mümkün olabilir. Füzyon enerjisi daha hafif ve daha yoğunlaştırılmış alternatifler sağlayabilir.

NASA'nın füzyon güdümlü roketinin şeması.

Uzay uçuşu için, füzyonun en önemli avantajı çok büyük bir özgül itici kuvvet olabilir ve en önemli dezavantajı reaktörün büyük kütlesidir. Bununla birlikte, füzyon roketi fisyon roketinden daha az ışınım üretir, kütlenin azaltılması koruma için gereklidir. Günümüz teknolojisi ile en güvenli şekilde füzyon roketi inşa etme yöntemi, Orion projesinde önerildiği gibi, hidrojen bombası kullanmaktır fakat böyle bir uzay aracının çok büyük olacağı gibi kısmi nükleer denemelerin yasaklanması antlaşması (Partial Nuclear Test Ban Treaty) nükleer bomba kullanımını yasaklar. Bu yüzden, Dünya üzerinde roketin itişi için nükleer bomba kullanmak bir sorunsaldır ama uzayda mümkündür. Ayrı bir yaklaşım doğrudan itki kuvveti yerine füzyon enerjisi kullanarak elektrik enerjisi üretimi ile elektriksel itici güç olabilir.

Elektrik üretimine karşı doğrudan itki

İyon iticileri gibi birçok uzay aracı itki yöntemini çalıştırmak için yüksek verimlilikte elektrik enerjisi girdisi gerekir. Bazı durumlarda uzay araçlarının maksimum itkileri üretilebilen enerji miktarı ile sınırlıdır. Füzyon enerjisi ile çalışan elektrik üreteci uzay gemilerini çalıştırmak için monte edilebilir. Bunun bir dezavantajı geleneksel elektrik üretiminin uzay gemilerinde uygulanması zor olan düşük sıcaklığa giden enerji gerektirmesidir. Füzyon ürününün kinetik enerjisinin elektrik enerjisine doğrudan dönüşümü ilkede uygundur ve bu sorunu hafifletebilir.

İlgi çekici bir olasılık, füzyon ürününün atığını itki olmadan orta seviye elektrik üretimi için roketin arkasına basitçe yönlendirmektir.  Bu manyetik aynalar hapsedilmiş planlar ile daha kolay olabilir. Bu ayrıca gelişmiş yakıtlar için daha ilgi çekicidir. Helyum-3 itkisi enerji kaynağı olarak helyum-3 atomlarının füzyon yöntemi uzay aracı itkisi yöntemi olarak önerilir. Helyum-3, helyumun reaktörde döteryum ile kaynaşabilen iki protonlu ve bir nötronlu izotopudur. Sonuçta salınan enerji uzay gemisi yakıtını uzay gemisinin arkasından savuşturmak için kullanılabilir. Helyum-3, ana olarak ayı terk etmek için uzay gemisinde enerji kaynağı olarak önerilir. Şu sıralar, bilim insanları ana olarak güneş rüzgarlarının ayın yüzeyine çarpmasından ve toprakta diğer elementler gibi birikmesinden kaynaklanan Ayda bir milyon ton helyum-3 bulunduğunu tahmin ediyor.^[1] D-T reaksiyonu tarafından üretilen enerjinin sadece %20'si bu yolla kullanılabilir. Diğer %80, nötron formunda dışarı salınır; çünkü onlar itki için kullanılması çok zor olan manyetik alanlar ya da katı duvarlar tarafından yönlendirilemezler.  Helyum-3 ayrıca döteryumdan, lityumdan ve bordan üretilebilen trityum beta bozunması aracılığıyla üretilebilir.

Kendi kendini besleyen füzyon tepkimesi üretilemese de VASIMR motoru gibi başka bir itki sisteminin verimliliğini artırmak için füzyonun kullanılması mümkün olabilir.

Hapis konsepti

Füzyon reaksiyonunu devam ettirmek için plazma hapsedilmelidir. Dünya üzerinde var olan en geniş şekilde araştırılan füzyon yapısı manyetik alanın hapsedilmiş formu olan tokamakdır. Bu zamanlarda tokamakların ağırlığı önemli bir olaydır, bu yüzden ağırlık oranı ile ilgili itki kabul edilemez görülebilir. NASA'nın Glenn Araştırma Merkezinin "Discovery II" adlı konseptsel araç dizaynının küresel yumru reaktörünün küçük bir açısının oranını önerdi. "Discovery II" 172 000 kilogram insanlı yükü jüpitere 861 metrik tonluk hidrojen uzay gemisi yakıtı ve 11 metrik tonluk helyum-3 döteryum füzyon yakıtı ile 118 gün içinde (ya da 212 günde Satürn'e) teslim edebilir.^[2] Hidrojen azaltılan egzoz hızı değerinde (348–463 km/s) itkiyi yükseltmek için füzyon plazma birikintisi tarafından ısıtılır.

Manyetizmanın hapsedilmesinin ana alternatifi Daedalus projesinin önerdiği gibi eylemsizlik füzyon hapsedilmesidir (ICF). Füzyon yakıtının küçük topağı (birkaç milimetre çiftinin çapı ile) elektron ışını ya da lazer ışını tarafından ateşlenebilir. Direkt itki üretebilmek için manyetik alan itici levha formu almalıdır. Prensipte, helyum-3 döteryum ya da nötron füzyon reaksiyonu parçacıkların içindeki enerjinin en yüksek değerine ulaşması ve radyasyonun en düşük değerine indirilmesi için kullanılabilir fakat teknik olarak bu reaksiyon için uygulanabilir olup olmadığı oldukça sorgulanabilirdir. 1970'lerde araştırılan Orion sürücüsü ve Daedalus projesinin ikisi de eylemsizlik hapsedilmesinin kullanılmasıyla detaylı bir şekilde dizayn edilmiştir. 1980'lerde, Lawrence Livermore Ulusal Labaratuvarı ve NASA ICF enerjili "gezegenler arası taşıma uygulamaları aracı(VISTA)" üzerinde çalıştı. Konik VISTA uzay aracı 100 ton yükü Mars'ın yörüngesine teslim edip Dünya'ya 130 günde geri dönebilir ya da Jüpiter'in yörüngesine teslim edip 403 günde geri dönebilir. Bunun için 41 ton döteryum trityum (D-T) füzyon yakıtı ve buna ek olarak 4,124 ton hidrojen yakıtı gerekecektir.^[3] Egzoz hızı 157 km/s olacaktır.

Manyetize edilmiş hedef füzyon (MTF) en geniş manyetik hapsedilme füzyonunun (örnek olarak iyi enerji hapsedilmesi) ve eylemsizlik hapsedilme füzyonunun (örnek olarak etkili basınç ısıtması ve füzyon plazmasının serbest duvar önlemesi) en iyi özelliklerine göreceli olarak yeni bir yaklaşımdır.  Manyetik yaklaşım gibi, füzyon yakıtı plazma içinde ısıtılırken manyetik alan tarafından düşük basınçta hapsedilmiştir fakat eylemsizlik hapsedilmesi yaklaşımı gibi füzyon hedefin hızlıca sıkıştırılmasıyla çarpıcı bir biçimde yakıt yoğunun ve böylece sıcaklığın artması ile başlatılır. MTF güçlü lazerler yerine  düşük maliyetli ve hafif bileşenli tek parça reaktörlere öncülük eden elektromanyetik ivmelendirme tekniği gibi plazma silahları kullanır.^[4] NASA Marshall Uzay Uçuş Merkezi Dış Gezegenlerin İnsan Keşfi (HOPE) grubu güçlendirilmiş manyetize hedef füzyonu itkili 163933 kilogram yükü 106-165 metrik ton uzay gemisi yakıtı kullanarak 249-330 günde Jüpiter'in ayı olan Callisto'ya nakletme yeteneğine sahip uzay araçlarını araştırdı.^[5] Bu dizayn daha önce bahsedilen "Discovery II" ve "VISTA" konseptinden daha yüksek egzoz hızına sahip olduğundan (700 km/s) dolayı hatırı sayılır derecede küçük ve daha etkili yakıta sahip olacak.

Füzyon roketleri için diğer bir popüler hapsetme kavramı Farnsworth-Hirsch Fusor ya da Polywell varyasyonu gibi enerji madde korunumu şirketi tarafından araştırılan elektrostatik eylemsizlik hapsetmesidir (IEC). Illinois Üniversitesi 100 000 kilogram insanlı yükü Jüpiter'in ayı Europa'ya 2210 günde ileten 500 tonluk "Fusion Ship II" kavramını tanımladı. Fusion Ship II ten D-He3 IEC füzyon reaktörü tarafından iyon roket itkisini (343 km/s egzoz hızı) faydalı hale getirdi. Kavramın Jüpiter'in sistemine bir yıllık seyahat için 300 ton argon uzay aracı yakıtına ihtiyacı olacaktı ^[6] Dr. Robert Bussard 1990'larda bunun uzay uçuşları uygulamalarını tartışan bir dizi teknik makale yayınladı. Onun çalışması the Analog Science Fiction and Fact'de yayınlanan Tom Ligon'un (ayrıca birçok bilimkurgu öyküsü yazarı) fusor ile nasıl yüksek etkili füzyon roketi yapılacağını anlattığı makale tarafından popülerleştirildi.^[7] Bu ayrıca bilimkurgu romanı The Wreck of the River of Stars'da Michael Flynn tarafından yayınlandı.

Hala çok spekülatif olan kavram çok daha küçük füzyon patlamalarına izin veren fisyon ve füzyonu katalizlenmek için çok küçük miktarlarda anti maddenin kullanımı, katalize edilmiş anti madde nükleer atım itkisidir.

Geliştirilen projeler

Ana madde: MSNW Magneto-Inertial Fusion Driven Rocket

Ayrıca bakınız

• Helyum-3
• Nükleer enerji

Kaynakça

1. "Moon's Helium-3 Could Power Earth" (PDF). 21 Temmuz 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 24 Nisan 2016.
2. "Realizing "2001: A Space Odyssey": Piloted Spherical Torus Nuclear Fusion Propulsion" by Craig H. Williams, Leonard A. Dudzinski, Stanley K. Borowski, and Albert J. Juhasz, NASA TM-2005-213559, 2005, http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20050160960_2005161052.pdf 30 Eylül 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
3. "Interplanetary Space Transport Using Inertial Fusion Propulsion" by C.D.Orth, UCRL-JC-129239, 9th International Conference on Emerging Nuclear Systems, Tel-Aviv, Israel, June 28-July 2, 1998, http://www.boomslanger.com/images/istuifp.pdf 15 Aralık 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
4. "Magnetized Target Fusion in Advanced Propulsion Research" by Rashad Cylar, MSFC/University of Alabama NASA Faculty Fellowship Program 2002, http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030093609_2003101283.pdf 11 Şubat 2014 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
5. "Conceptual Design of In-Space Vehicles for Human Exploration of the Outer Planets", NASA/TP—2003–212691, November 2003, http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040010797_2004001506.pdf 26 Ocak 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
6. "Fusion Ship II -- A Fast Manned Interplanetary Space Vehicle Using Inertial Electrostatic Fusion", J.Webber et al., University of Illinois, U-C, Department of Nuclear, Plasma and Radiological Engineering, 2003, http://fti.neep.wisc.edu/iecworkshop/PDF/TECHNICAL_TALKS/webber.pdf 17 Haziran 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
7. "Arşivlenmiş kopya". 15 Haziran 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Nisan 2016.

Dış bağlantılar

• New Scientist Space (23.01.2003): Nuclear fusion could power NASA spacecraft 13 Nisan 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Project Icarus: a proposed hydrogen fusion drive 22 Nisan 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Twenty-One Castle Mike by Kir Komrik under commission of (name withheld) Marine, LLC 10 Aralık 2012 tarihinde Archive.is sitesinde arşivlendi
• Twenty-One Castle Mike Diagrams^{[ölü/kırık bağlantı]}
• The Case and Development Path for Fusion Propulsion