Los viajes espaciales impulsados por fusión han prometido durante mucho tiempo realizar viajes rápidos a través del sistema solar: Marte en semanas, Saturno en meses, Plutón en años.
Durante décadas, estas posibilidades han permanecido teóricas, como si fueran sacadas de una novela de ciencia ficción. Pero varias empresas están trabajando ahora para construir motores prácticos de propulsión por fusión nuclear, y se han logrado hitos significativos.
Pulsar Fusion, una startup con sede en el Reino Unido, espera lanzar una misión de demostración al espacio en 2027, mientras la Universidad de Princeton y Helicity Space en Estados Unidos continúan con su propio trabajo sobre impulsiones de fusión.
Si alguno de estos esfuerzos resulta exitoso, misiones a través del sistema solar para robots y humanos podrían desbloquearse como nunca antes, convirtiéndonos en una verdadera especie viajera del espacio.
“Si seguimos en la trayectoria actual, todo lo que sabemos sobre los viajes espaciales va a cambiar dentro de una década,” Stephane Lintner, director ejecutivo y cofundador de Helicity Space, afirmó a Live Science.
Pero, ¿es demasiado bueno para ser verdad? ¿Puede el sueño de la propulsión por fusión nuclear realizarse por completo, o permanecerá como un boceto de fantasía? Después de décadas de sueños, podríamos estar al borde de descubrirlo.
Potencia de fusión
La fusión nuclear es un proceso mediante el cual dos átomos se combinan, o fusionan, para formar uno más pesado, liberando energía en forma de luz y calor. El tipo de fusión más conocido es el proceso que ocurre dentro del sol a temperaturas de hasta 27 millones de grados Fahrenheit (15 millones de grados Celsius), donde los átomos de hidrógeno se fusionan para formar helio.
Si este proceso pudiera replicarse en la Tierra, nos proporcionaría enormes cantidades de energía. “El santo grial es la energía gratuita para todos”, afirmó Lintner. Ciudades enteras y países serían transformados, dando paso a una nueva era de energía limpia y abundante.
Muchos experimentos y pruebas se han realizado, y grandes experimentos de fusión, como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) en Francia, están en construcción. Sin embargo, aún no se han construido reactores de fusión comercialmente viables. Uno de los principales problemas es mantener confinado el plasma turbulento y ultracaliente necesario para la fusión a la temperatura adecuada. El récord actual es de 22 minutos.
Si trasladamos el mismo concepto al espacio, de pronto se obtiene un medio para alimentar una nave. Además, no surgen los mismos problemas para mantener el plasma. En su lugar, el plasma puede expulsarse desde la nave, proporcionando un empuje constante que puede usarse para acelerar una nave a velocidades enormes en el vacío sin fricción del espacio.
“La propulsión por fusión, en algunos sentidos, es más difícil y, en otros, más fácil que la producción de energía en la Tierra”, dijo Bhuvana Srinivasan, profesora de aeronáutica y astronautica en la Universidad de Washington, a Live Science.
Una nave espacial impulsada por fusión podría acelerarse a cientos —o incluso miles— de millas por segundo mediante este método, varias veces más rápido que cualquier nave espacial en la historia. En el escenario más optimista, una nave así podría alcanzar fracciones significativas de la velocidad de la luz, haciendo posible el viaje interestelar.
Por supuesto, hay tremendas dificultades. Un reactor de fusión en el espacio debe ser lo bastante pequeño para caber dentro de una nave espacial en un cohete. No es tarea fácil, si consideramos que reactores de fusión como ITER tienen el tamaño de una casa. También se necesita una forma de generar el calor inmenso requerido para que ocurra la fusión, una fuente de combustible y propelente, y imanes potentes para mantener el plasma dentro de las paredes del motor.
La propulsión por fusión, en algunos sentidos, es más difícil y en otros más fácil que la producción de energía en la Tierra.
Bhuvana Srinivasan, profesora de aeronáutica y astronautica en la Universidad de Washington
Producir un empuje significativo requiere números asombrosos de reacciones de fusión cada segundo. Un quintillón de reacciones proporcionaría cerca de 10 newtons de empuje, equivalente al peso de una botella de agua de 1 litro en tu mano. Pero un motor impulsado por fusión proporcionaría este empuje durante meses, en lugar de minutos para la propulsión química típica, lo que permitiría alcanzar velocidades elevadas con el tiempo.
A primera vista, esto podría parecer casi imposible, pero algunas pruebas recientes han mostrado que podría ser plausible.
Primer plasma
En marzo, Pulsar Fusion demostró el “primer plasma” dentro de un motor de fusión nuclear por primera vez. En la prueba, que tuvo lugar en la instalación de la empresa en Bletchley, uno de los motores Sunbird de Pulsar transformó brevemente gas de criptón en plasma, demostrando cómo la empresa podría confinar el plasma dentro de su sistema de escape.
La demostración mostró “que el plasma se mantiene en el sistema donde quieres que se mantenga”, confinado por un campo electromagnético, dijo Richard Dinan, director ejecutivo y fundador de la empresa, a Live Science. “El trabajo difícil ahora es poder calentar el plasma a temperaturas más cercanas a la fusión”.
Dinán fundó Pulsar Fusion en 2011 con el objetivo de construir un sistema de propulsión impulsado por fusión. El plan de la empresa es fusionar helio-3 y deuterio, una forma más ligera de helio y una forma más pesada de hidrógeno, y usar la energía producida para calentar helio-4 y expulsarlo como propelente para producir empuje. La cantidad de empuje que se puede producir depende de “qué tan bueno seas para desviar esas partículas hacia la parte trasera de la nave”, dijo Dinán. “Y en este momento, nadie sabe cuán eficiente podemos ser”.
Sólo se necesitarían unos pocos cientos de gramos de combustible de deuterio y helio-3 para sostener el proceso de fusión en un viaje a Marte, dijo Dinán, pero afirma que su cohete necesitaría entre 10 y 20 toneladas métricas (11 a 22 toneladas estadounidenses) de propelente de deuterio para proporcionar el empuje necesario para alcanzar las velocidades que esperan.
Si logran que funcione, sus planes son ambiciosos. La empresa imagina flotas de sus vehículos Sunbird recorriendo el sistema solar, llevando personas y carga hacia y desde destinos a velocidades de hasta 329,000 mph (529,000 km/h) — aproximadamente 10 veces más rápido que la nave Voyager 1, que actualmente viaja más allá del sistema solar.
A esas velocidades —que no se alcanzan de inmediato, ya que la nave necesita meses para acelerar y desacelerar— el tiempo de viaje a Marte podría reducirse a la mitad respecto a los nueve meses que toma con la propulsión química convencional. El peso podría liberarse para equipamiento porque la fusión es más eficiente y necesita menos combustible. Misiones más rápidas a destinos más lejanos, como la luna Titán de Saturno o el asteroide Psyche, rico en metal, también serían alcanzables.
“Creo que pronto veremos la fusión como un sistema de propulsión,” dijo Dinán. “La demanda ciertamente existe.”
Un billón de grados
El método de propulsión de Pulsar Fusion se conoce como fusión directa dual, donde el plasma del proceso se utiliza directamente para generar empuje. Samuel Cohen, profesor de física en la Universidad de Princeton, está trabajando en un concepto similar, la Direct Fusion Drive, como parte de un proyecto llamado Starfire.
Hemos investigado este concepto durante más de 20 años. Su idea es fusionar deuterio y helio-3, que es raro en la Tierra pero abundante en la luna. Su equipo ha construido un prototipo de propulsor de fusión en Princeton con plasma que alcanza 18 millones de °F (10 millones de °C).
“Es un inicio, pero hay que llegar a mil millones de grados Celsius para que ocurra la fusión de deuterio y helio-3,” declaró Cohen a Live Science. Existen varios enfoques prometedores para alcanzar esas temperaturas, incluyendo comprimir el plasma o calentarlo con haces de radio o neutrones.
Utilizando su plasma actual, Cohen afirma que el equipo ha demostrado una pequeña cantidad de empuje — unas pocas miligramos, o unas pocas diez millonésimas de newton. Ahora esperan obtener más financiamiento para llevar su concepto más allá. “Necesitamos unos pocos millones de dólares para empezar”, dijo Cohen.
Con suficiente apoyo, dijo Cohen, podrían tener un sistema de propulsión por fusión funcionando en 10 a 20 años. Mientras tanto, Pulsar Fusion, que ha recibido apoyo de la Agencia Espacial Europea y la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido, espera realizar una demostración de sus propulsores en órbita para 2027.
Helicity Space apunta a lanzar su sistema de propulsión por fusión en la década de 2030. La empresa, que recaudó 5 millones de dólares en 2023, está desarrollando el Helicity Drive, que se basa en pulsos de plasma, en lugar de fusión continua, para generar empuje.
“Si obtienes una reacción cada pocos segundos, eso es un increíble experimento científico en la Tierra, pero no puedes hacer nada con eso,” dijo Lintner. “En el espacio, tienes la propulsión eléctrica más avanzada jamás construida. Cambias las reglas del juego para la propulsión.”
Lintner afirmó que la empresa apunta a “temperaturas de fusión muy, muy pronto,” y luego “planea volar un primer prototipo dentro de tres años.” Para la década de 2030, Lintner espera lograr ganancia neta en sus motores de fusión —producir más energía de la que se aporta— para tener listo un verdadero motor de fusión para uso en el espacio.
Hacia lo interestelar
Pero no todos están convencidos de que los motores de fusión nos impulsarán a través del sistema solar. John Slough, que está trabajando en su propio diseño de cohete de fusión llamado Fusion Driven Rocket (FDR), dijo que desconfía de las “falsas promesas” en el campo. Señaló que gran parte de la física subyacente a la propulsión por fusión sigue siendo extremadamente difícil.
“Todavía depende de descubrimientos científicos para que avancemos,” dijo Srinivasan. “Tenemos que averiguar, ¿cómo mantenemos estable este combustible? ¿Hemos resuelto la mayor parte de los desafíos de ingeniería y científicos? No va a ocurrir el próximo año.”
Entre los desafíos restantes están no solo mantener estable el plasma, sino también desarrollar paredes que puedan contener suficientemente el plasma y reducir el tamaño del sistema de fusión para que quepa dentro de una nave espacial, agregó.
Otras formas de propulsión nuclear podrían ser más prometedoras. La NASA está desarrollando el SR-1 Freedom, una nave impulsada por fisión nuclear, no por fusión. El objetivo de la nave, anunciado en marzo, es lanzarse a Marte para diciembre de 2028, donde se enviarían tres pequeños helicópteros robóticos para explorar la superficie. El reactor de fisión dividiría uranio-235 para generar empuje.
“SR-1 Freedom allanarà el camino para el hardware nuclear espacial”, dijo Steven Sinacore, Director del Programa Space Reactor-1 Freedom en la NASA, a Live Science en respuesta a preguntas por correo electrónico. “Para sostener una presencia en la Luna, enviar tripulación a Marte y explorar los confines del sistema solar, la nación necesita energía que funcione en todas partes, independiente del sol, y la fisión es esa energía”.
Sin embargo, la propulsión basada en fisión, aunque extremadamente útil, no puede igualar las velocidades prometidas por la propulsión por fusión. Eso se debe a que los sistemas de fusión confinan el plasma magnéticamente, lo que permite alcanzar temperaturas mucho más altas. Las temperaturas de fisión, por el contrario, están limitadas por los materiales del reactor donde ocurren las reacciones de fisión.
Si alguna de las ideas de fusión propuestas llegara a hacerse realidad, sin embargo, las posibilidades serían enormes. El año pasado, Elena Ancona, ingeniera de dinámica de vuelo de la Universidad Politécnica de Bari en Italia, y sus colegas describieron cómo una propulsión de fusión directa podría habilitar una misión a Sedna, un remoto planeta enano helado muy más allá de Neptuno. Para esa misión, el tiempo es crucial.
El planeta enano alcanzará su punto más cercano al Sol en 2075, y no estará tan próximo de nuevo durante otros 11,000 años. “Si queremos hacer esta misión, es ahora o dentro de 11,000 años”, afirmó Ancona. Con una nave espacial química tradicional, la misión tendría que lanzarse 30 años antes. Pero con propulsión por fusión, podría llegar a Sedna en apenas 10 años.
Muchos más destinos estarían al alcance si la propulsión por fusión se hiciera realidad. Tal vez incluso el viaje interestelar sería posible mucho más adelante. “La gente ha sabido que la fusión es la respuesta para los viajes de exploración profunda del espacio desde los años 60”, dijo Lintner. “Solo en la última década, a nivel comercial, la gente comenzó a dedicar mucho tiempo a descifrar el código de la fusión”.
Pero aún queda mucho camino por recorrer. “No es para los débiles de corazón”, dijo Lintner. “Pero si la propulsión por fusión alguna vez va a ocurrir, los próximos años se ven tan prometedores como cualquier otra opción”.
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