Notas rápidas sobre Apollo Fusion Inc.
Introducción:
El 1 de abril de 2017, una startup de Silicon Valley llamada Apollo Fusion anunció su intención de crear una planta de energía híbrida de fusión-fisión [3]. La compañía está compuesta por dos personas clave: un experto en propulsores de plasma y un emprendedor audaz de Internet. Ambos se muestran a continuación [2,4]. El emprendedor es Mike Cassidy.
- ¿Por qué no usamos baterías nucleares en nuestros satélites?
- ¿Por qué las ojivas nucleares modernas tienen una potencia inferior a 500 KT?
- ¿Cuáles son las diferencias básicas entre los reactores comerciales y los reactores de investigación (no de potencia)?
- ¿Por qué los científicos no intentan inventar un reactor de fusión nuclear en lugar de perder el tiempo debatiendo teorías prácticamente inútiles?
- ¿Qué puede contrarrestar (apagar) la energía nuclear? Es decir, el agua contrarresta el fuego.
El Sr. Cassidy es un gran problema. Su solo nombre hace que esta compañía sea una de las más importantes. Más recientemente, Cassidy se desempeñó como directora ejecutiva en Google. Ha liderado y vendido múltiples compañías desde que comenzó a operar a principios de los noventa [5]. En una palabra: es un emprendedor clásico de Silicon Valley. El hombre también está bien conectado: Tech Crunch ha informado que Larry Page y Sergey Brin de Google están “muy entusiasmados” con esta startup [1]. La otra persona involucrada es el Dr. Ben Longmier. El Dr. Longmier es actualmente profesor adjunto de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Michigan [4]. Ha trabajado extensamente en propulsores de plasma.
Hasta el 4 de abril de 2017, nunca había oído hablar de ninguno de estos tipos. Ambos trabajan en diferentes campos de la fusión tradicional. Lo que sea, los necesitamos. La búsqueda del poder de fusión necesita toda la ayuda que pueda obtener.
Pude obtener la solicitud de patente de Apollo Fusions [7]. Se archivó el primero de septiembre de 2015. Supongo que el Dr. Longmier encabezó este esfuerzo y trajo a Mike Cassidy más tarde. El enfoque de las empresas se basa en la investigación del propulsor de plasma. Su concepto me recuerda a la mayoría de un cátodo virtual hecho dentro de una trampa de penning. Esa idea fue sugerida originalmente por Dan Barnes, de Los Alamos National Labs, en 2000 [23]. En cualquier caso, lo esencial es: juntar muchos electrones y hacer que atraigan iones hacia un punto. Haz que se muevan a velocidades suficientemente altas para crear fusión. Eso suena mucho a un pozo de polietileno.
El Dr. Longmier tiene la suerte de trabajar en la investigación del propulsor de plasma. De hecho, pueden entenderse mejor que los dispositivos de fusión tradicionales. Los propulsores han obtenido la financiación, mientras que nuestro campo de fusión ha languidecido. Tu propulsor básico se basa en el efecto Hall. Este es un tema bien investigado, con sus raíces en los años sesenta [7]. Múltiples equipos de investigación han estado involucrados en este esfuerzo, durante las últimas cinco décadas y los Hall Thrusters se han utilizado para rodear la luna [6].
Un propulsor básico:
¿Cómo funcionan los propulsores de plasma? Normalmente se prueban en entornos de vacío de baja presión (1.3E-3 a 1.3E-6 Pascal). En el pasado, estos propulsores se ubicaban en grandes satélites, pero recientemente se ha producido un impulso hacia estadísticas de cubo más pequeñas. Una estadística de cubo es un trozo de metal, de 10 centímetros a un lado. Representan la próxima generación de satélites. Este cambio se refleja en la investigación del Dr. Longmiers. En el papel, es parte del laboratorio de Plasmadinámica y Propulsión Eléctrica de la Universidad de Michigans. Ese laboratorio fue fundado en 1992 y desde entonces, ha albergado 15 o 20 grandes experimentos de propulsores [9]. Todos estaban alojados dentro de un vasto tanque de 200 metros cúbicos. Estos representan el viejo tipo de propulsores. El Dr. Longmier ha empujado a tamaños más pequeños [24]. Se ha centrado en las estadísticas del cubo. El mecanismo básico de un propulsor Hall se muestra a continuación [8, 6].
Para construir un propulsor de pasillo, lo primero que debe hacer es configurar sus campos. En el centro del propulsor hay una cavidad anillada. Esto se llena con un campo magnético y eléctrico. Estos campos corren perpendiculares entre sí. El campo magnético sale del centro, mientras que el campo eléctrico señala desde el fondo de la cavidad. La fuerza de Lorentz dicta que los electrones dentro de esta cavidad permanecerán allí en su mayoría. Una vez configurado, debe encender su propulsor. Para hacer eso, debes inyectar un combustible. El xenón es el combustible más común para quemar. Esto se debe a que es un átomo grande y gordo que es fácil de ionizar. Los átomos de xenón interactúan con los electrones y se ionizan. Una vez positivo, vuelan lejos del campo eléctrico positivo. Cuando salen de esta cavidad aceleran, empujando el satélite hacia adelante. Mientras vuelan, absorben electrones que neutralizan el haz. Esto hace un chorro amplio y neutral, empujando el satélite hacia adelante.
Comparando:
La mayor diferencia entre este tipo de trabajo y la investigación de fusión tradicional es la escala de todo. Por ejemplo, los campos magnéticos utilizados dentro de un propulsor de pasillo solo alcanzarán unos pocos cientos de guass [10]. Mientras tanto, un pozo de polietileno necesitará un campo que es 80 veces más alto [11]. Este es el tipo de diferencias fundamentales, que cambian todo acerca de cómo se realizan las pruebas. Por ejemplo, un propulsor Hall podría funcionar durante varios minutos, alimentado por baterías o la toma de corriente. En marcado contraste, el reactor de fusión Lockheed debe funcionar con condensadores. Por lo tanto, Lockheed solo puede disparar su máquina durante unos microsegundos [12-14]. Otra diferencia es la temperatura del plasma. El plasma del propulsor es decenas de electronvoltios, también conocido como muy frío. Un fusor típico se fusiona a 30,000 eletronvoltios o más [15, 16]. Esa diferencia es marcada y afecta todo sobre el comportamiento del plasma. Finalmente, los combustibles son muy diferentes. El xenón es fácil de usar. Es un gas noble, que funciona bien en un sistema de vacío. Los expertos en vacío le dirán que necesita un gas noble para expulsar el aire en un vacío [26]. Un combustible de fusión como el tritio es muy diferente. Cuando trabajamos con él en el Laboratorio de Laser Energetics, fue una molestia de costos, regulación y seguridad. Si Apollo Fusion quiere quemar tritio, necesitarán mucho más personal técnico y costos.
Dicho todo esto, el Dr. Longmier tiene una historia de empujar los límites de la tecnología. Formó parte de un equipo que desarrolló un motor de cohete de 200 kilovatios en Ad Astra Rocket Company, en Houston [18]. Según tengo entendido, este es un orden de magnitud mejor que otros propulsores de cohetes. Esta compañía es ampliamente conocida en la comunidad espacial, debido a su ‘CEO, Dr. Franklin Chang Díaz. Alcanzar un empuje tan alto significa que muchos otros parámetros de plasma y fuerzas de campo deberían aumentar en especie. Pero aquí está la pregunta clave: ¿los plasmas en los cohetes se volverían tan buenos que podrían comenzar a parecerse a los plasmas de fusión?
La patente:
Las patentes son siempre vagas. A primera vista, este concepto se ve como: un chorro de electrones, dentro de algunos campos más grandes. En su núcleo, hay un haz de electrones. Este rayo atraviesa el centro de la máquina. La idea es hacer que los electrones en este haz se agrupen. Esto, a su vez, atraerá los iones para las reacciones de fusión. La patente no menciona cómo planean hacer este haz de electrones. Pero, necesitarán alguna solución aquí. Si los electrones no se empujan hacia adelante con suficiente patada, serán dispersados por los otros campos dentro de esta máquina. Afortunadamente, hay varios haces de electrones disponibles que pueden comprar [19]. Una vez disparados, los electrones encontrarán varios otros campos simultáneamente.
Normalmente, modelaría estos campos, como lo hice en el pasado para Polywell y Lockheeds ‘CFR [20, 21]. Un modelo es muy sencillo. Usas Excel, las ecuaciones de movimientos de Newton y la fuerza de Lorentz para trazar un mapa de cómo se mueven los electrones. Si quieres ponerte elegante, usas MATLAB o COMSOL. Lamentablemente, esta patente no nos da ninguna pista sobre las intensidades de campo o dimensiones dentro de esta máquina. La imagen que dan, se reproduce a continuación [7].
Esta es una foto muy ocupada. Lo primero que notas es el gran campo verde en el exterior. Se supone que este es un campo magnético equilibrado. Idealmente, esto se opone al haz de electrones [7]. La patente promete que este magnético debería reducir la fuga de electrones al anillo en el centro. Lo siguiente que notas es ese gran anillo rojo. Ese es solo un gran anillo de voltaje positivo. Un bulto de metal positivo, para el cual el diseño no está finalizado. La patente, de hecho, cubre varios diseños de anillos. La patente afirma que si pulsa un voltaje en este anillo, puede aumentar la densidad del plasma en el haz de electrones en 700 veces. ¿De dónde viene este reclamo? Debe ser de una de las publicaciones del Dr. Longmiers.
El centro de ese anillo, es donde sucede la magia. Se supone que este aumento en la densidad del haz atrae iones hacia el centro. Si todo funciona según lo planeado, los iones se juntarán y se fusionarán. Esto generará neutrones, que volarán y golpearán las paredes. La patente luego habla sobre el uso de FLiBe, en las paredes, para absorber los neutrones. FLibe es una sal fundida popular que ha sido empujada por la comunidad del torio [22]. Esto representaría un enfoque híbrido de fusión-fisión.
Evaluación:
Obviamente, esta patente y el sitio web de Apolos no revelarán qué tan avanzada está esta investigación. Desde que se presentó la patente en 2015, es seguro decir que Longmier ha estado analizando este problema durante algunos años. Dicho esto, tiene un trabajo a tiempo completo, por lo que no tiene tiempo infinito para desarrollar la idea. Este concepto es similar a muchos otros dispositivos de fusión: parece un problema de ajuste. Tiene varios parámetros que puede ajustar. Estos incluyen, pero no se limitan a: la tasa de inyección de combustible, la forma del electrodo, la presión de vacío (1E-5 a 1E-10 torr), tanto las intensidades de campo como sus posiciones. También puede cambiar las características del haz y cómo se coloca todo en la máquina. A medida que ajusta estos parámetros, alterna entre los afectos que ama y los que odia . Un mal efecto podría ser que los electrones abandonen el haz y vayan a algún lugar indeseable. Otro efecto podría surgir de la naturaleza transitoria del voltaje que se pulsa. El plasma puede escapar cuando cambian los campos. Finalmente, está el problema de aplastar el material juntos. Sabemos que hay límites en cuanto a la densidad con la que se puede aplastar un plasma [25]. En última instancia, el objetivo sería “ajustar” este diseño para aumentar la velocidad de fusión y reducir todo lo demás. Un investigador experimentado sabrá cómo hacerlo. Usando modelos y números adimensionales, intentarán trazar estos modos de operación para esta máquina. Pero una vez que todo esté hecho, Apollo necesitará descubrir cómo escalarlo. También deberán encontrar una manera de hacer felices a los reguladores (como la Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU.). En cualquier caso, parece que Apollo Fusion tiene un largo camino por delante.
Citas:
1. Calentador, Brian. “El Proyecto Loon Head de Google está entrando en la energía nuclear“. Tech Crunch. Tech Crunch, 03 de abril de 2017. Web. 05 de abril de 2017. .
2. Stone, Brad. “El ex vicepresidente de Google inicia una empresa que promete energía nuclear limpia y segura”. Bloomberg.com. Bloomberg, 03 de abril de 2017. Web. 05 de abril de 2017. .
3. Cassidy, Mike y Ben Longmier. “Apollo Fusion”. Apollo Fusion. Apollo Fusion, 01 de abril de 2017. Web. 05 de abril de 2017. .
4. “Benjamin Longmier”. Facultad de Ingeniería de Michigan. Universidad de Michigan, nd Web. 05 de abril de 2017. .
5. “Mike Cassidy (empresario)”. Wikipedia Fundación Wikimedia, 04 de abril de 2017. Web. 05 de abril de 2017. .
6. “Propulsor de efecto Hall”. Wikipedia Fundación Wikimedia, 05 de abril de 2017. Web. 05 de abril de 2017. .
7. Longmier, Ben. Efecto Hall Asistido al confinamiento de electrones en un reactor de fusión de confinamiento electrostático inercial. Apollo Fusion, Inc., cesionario. Patente US 2017/0069399 A1. 09 de marzo de 2017. Impresión.
8. “Sekerak, Michael J., Alec D. Gallimore, Daniel L. Brown, Richard R. Hofer y James E. Polk. “Transiciones de modo en propulsores de efecto Hall inducidos por una fuerza de campo magnético variable”. Journal of Propulsion and Power 32.4 (2016): 903-17. Web.
9. Lobbia, Robert. “Sobre el Laboratorio de Plasmadinámica y Propulsión Eléctrica”. El Laboratorio de Plasmodinámica y Propulsión Eléctrica. Universidad de Michigan, nd Web. 05 de abril de 2017. .
10. Hofer, Richard R. y Alec D. Gallimore. “Impulsores de pasillo de impulso altamente específicos, Parte 2: Análisis de eficiencia”. Journal of Propulsion and Power 22.4 (2006): 732-40. Web. 5 de abril de 2017. .
http: //11.https: //www.fpds.gov/ezsearch/se…
12. Moynihan, Matthew. “Un análisis intensivo de la investigación de fusión en Lockheed Martin”. Np, 11 de diciembre de 2016. Web. 5 de abril de 2017. .
13. Park, Jaeyoung, Nicholas A. Krall, Paul E. Sieck, Dustin T. Offermann, Michael Skillicorn, Andrew Sanchez, Kevin Davis, Eric Alderson y Giovanni Lapenta. “Confinamiento de electrones de alta energía en una configuración de cúspide magnética”. Revisión física X 5.2 (2015): n. pag. Web. 5 de abril de 2017. .
14. Kowch737. “Nueva generación de motores”. Youtube. Agencia Espacial Europea, 02 de marzo de 2010. Web. 05 de abril de 2017. .
15. “Una conversación con Carl Greninger”. Entrevista privada, por Matt Moynihan y Carl Greninger. 22 agosto 2016
16. Bakdemir, AS, Y. Akgn y A. Alak. “Resultados preliminares de estudios experimentales de dispositivos de confinamiento electrostático inercial de baja presión”. Journal of Fusion Energy 32.5 (2013): 561-65. Web. 5 de abril de 2017.
17. Lobbia, Robert. “Personal.” El Laboratorio de Plasmodinámica y Propulsión Eléctrica. Universidad de Michigan, nd Web. 05 de abril de 2017. .
18. https://arc.aiaa.org/doi/abs/10…. Eficiencia mejorada y rango de estrangulamiento del propulsor de magnetoplasma VX-200
19. LAPEDUS, MARK. “El mercado de vigas múltiples se calienta”. Ingeniería de semiconductores. Ingeniería de semiconductores, 17 de marzo de 2017. Web. 05 de abril de 2017. .
20. “La grave necesidad de datos”. La seria necesidad de datos. The Polywell Blog, 06 de enero de 2014. Web. 05 de abril de 2017. .
21. “La base física para el Polywell”. La base física para el Polywell. The Polywell Blog, 30 de julio de 2012. Web. 05 de abril de 2017. .
22. Sorensen, Kirk. “Flibe Energy”. Flibe Energy. Np, nd Web. 05 de abril de 2017. .
23. Barnes, DC, MM Schauer, KR Umstadter, L. Chacon y G. Miley. “Equilibrio de electrones y confinamiento en una trampa de Penning modificada y su aplicación a PenningFusion”. Física de Plasmas Phys. Plasmas 7.5 (2000): 1693. Web. 22 de mayo de 2016. .
24. Longmier, Ben. “Propulsores ambipolares de plasma”. Youtube. Michigan Engineering, 25 de febrero de 2014. Web. 05 de abril de 2017. .
25. Caflisch, RE y MS Rosin. “Más allá del límite del niño-Langmuir”. Physical Review E. American Physical Society, 18 de mayo de 2012. Web. 05 de abril de 2017. .
26. “Partículas de vacío: ¿el bombeo de gases nobles requiere consideraciones especiales?” Aspiradoras Edwards. Web. 06 de abril de 2017. .