Propulsores alternativos en cohetes térmicos nucleares

Hace muchos años, leí una historia de ciencia ficción "Rocket Ship Galileo" en la que una nave espacial de propulsión nuclear usaba zinc como propulsor. Aparte de la naturaleza fantasiosa de la historia en sí, me preguntaba si el concepto de propulsión (crear empuje mediante el uso de energía térmica nuclear para vaporizar zinc) tenía alguna base sólida en ciencia e ingeniería. Más específicamente, ¿las propiedades del zinc lo prestan para un uso eficaz como propulsor térmico nuclear? Parecería que hay factores que podrían hacerlo inadecuado, como el punto de fusión, que crearía dificultades/complejidades en un sistema de manejo de combustible. Además de estos problemas, ¿ofrecería dicho propulsor algún beneficio, como un ISP alto, por ejemplo?

Relacionado: physics.stackexchange.com/q/246323/123208 (Puede bombear zinc a través de un reactor nuclear sin que tenga mucho impacto en la reacción).
Una ventaja obvia que se me ocurre es su densidad. Esto no solo daría como resultado un tanque más pequeño, que no es demasiado importante para las cosas interplanetarias, sino que también podría hacer que la cámara del reactor/intercambiador de calor en el motor sea más pequeña, lo que también podría aumentar la TWR como resultado.
Sin embargo, costaría muy caro en impulso específico. ¡30 veces peor que el hidrógeno! De los impresionantes 2000 segundos estás bajando a 67. Un AK-47 tiene un impulso específico mejor que eso.
@SF Es difícil vencer al hidrógeno si todo lo que busca es SI.
@Ryan_L Vencer al hidrógeno es una cosa. Hacer algo peor que los propulsores de gas frío es otra. Este ISp no es solo bajo. Es abismalmente bajo. En este punto, casi cualquier otra solución es mejor. Podrías poner el F1 de Saturno V en este cohete y obtener un mejor empuje, mejor TWR y aún así obtener casi 4 veces mejor ISp.
Lo que ellos dicen. El uso de zinc como propulsor real es c̵r̵a̵z̵y̵ subóptimo. Pero usarlo como medio de intercambio de calor en un reactor probablemente esté bien. Sería similar a un reactor enfriado por sodio , sin los problemas de reactividad del sodio, pero con un punto de fusión mucho más alto, lo que trae sus propios problemas de ingeniería.
De hecho... ¿por qué molestarse con un reactor nuclear si un cohete de pólvora negra lo supera? Siendo realistas, el único propulsor práctico para usar en un cohete térmico nuclear es el hidrógeno líquido. Cualquier otra cosa es apenas mejor que un cohete químico (e incluso llegar allí requiere una NTR de temperatura inusualmente alta), o en realidad es peor.
@SF. ¿No te falta una raíz cuadrada en esa escala de masa molar? 5 veces y media peor que el hidrógeno sigue siendo malo, pero no tan malo como 30x. (Sin embargo, la metáfora de Saturno V todavía se aplica)
@SE-stopfiringthegoodguys Posiblemente. Eso lo pondría a la par con los motores químicos a costa de un motor muy pesado.
Los diseños de cohetes térmicos nucleares con núcleo de gas o los diseños electrotérmicos nucleares pueden tener un rendimiento aceptable con un propulsor que no sea hidrógeno, momento en el cual los propulsores portadores de hidrógeno (amoníaco, hidracina o metano) pueden ser atractivos.

Respuestas (2)

El zinc tiene una masa molar demasiado alta para encontrar una aplicación práctica en cohetes térmicos nucleares (NTR) como fluido propulsor. Una limitación adicional en NTR de núcleo sólido es la dificultad de lograr temperaturas de propelente superiores a 2700°C porque no existen materiales que tengan propiedades mecánicas satisfactorias a temperaturas más altas. El zinc tiene un punto de ebullición relativamente bajo, 907 °C y una energía de vaporización baja (para el metal), pero también una masa molar 32,7 veces superior a la del hidrógeno. Dado que en la mayoría de los diseños NTR de núcleo sólido, la temperatura está limitada a un máx. 2700°C: el rendimiento de dicho cohete con zinc como propulsor estaría al nivel de la antigua pólvora negra. Otros diseños de NTR como el núcleo pulsado, líquido o gaseoso son conceptos, pero aún se aplican las mismas limitaciones de zinc de alta masa molar y los gases ligeros como el hidrógeno y el helio son opciones mucho mejores.

Si hay sólidos que podrían usarse para NTR como propulsores, se deben buscar entre los hidruros de elementos ligeros como Li, Be, B (LiH, LiBH4, BeH2, LiBeH3, Li2BeH4). Todos tienen un alto contenido de hidrógeno y, en general, por volumen pueden almacenar entre un 30 y un 70 % más de hidrógeno que el LH2. El berilio es extremadamente tóxico y caro y es poco probable que pueda competir con LiH y LiBH4, aunque BeH2 tiene algunas propiedades atractivas. LiBH4 tiene la mayoría de las ventajas, como un punto de fusión bajo de 268 °C y una región líquida decente de 112 °C antes de la descomposición. Pero sería un desafío disociar completamente LiBH4 en elementos individuales. LiH, por otro lado, tiene un punto de fusión mucho más alto (aún más bajo que el zinc), pero puede descomponerse completamente en elementos individuales. El hidrógeno se puede usar primero y el litio (que hierve a 1330°C) en la segunda etapa. La masa molar promedio de los gases es aceptable 5,3 g/mol, posible incluso 4,67 si se usa el isótopo Li6. El beneficio adicional de usar el isótopo Li6 es su alta sección transversal de captura de neutrones y su fisión que libera 4,8 MeV por átomo mientras se divide en tritio y helio. Por supuesto, tal NTR solo podría usarse en el espacio debido a la naturaleza tóxica y corrosiva de los compuestos de litio producidos por su combustión en la atmósfera.

También hay que considerar el enfriamiento del reactor. Los cohetes suelen utilizar refrigeración regenerativa para capturar el calor y redirigirlo al escape, donde es útil. El propulsor de zinc no podría enfriar ninguna parte del cohete por debajo de la temperatura del zinc fundido, que es lo suficientemente caliente como para que muchas aleaciones tengan una resistencia reducida, muchos materiales son inutilizables, la electrónica compleja no funcionará, etc.

Además de estos problemas, ¿ofrecería dicho propulsor algún beneficio, como un ISP alto, por ejemplo?

Hay una y solo una propiedad que hace que el zinc aparezca ocasionalmente en contextos NTR .

Densidad

Todo lo demás sobre el zinc como propulsor es terrible.
El ISP es muy malo. Manejar lo que en condiciones normales es un sólido es malo.

Pero la densidad es de 7,14 g/cm3 para el sólido, 6,57 g/cm3 para el líquido de varios cientos de °C, presumiblemente un poco más bajo para una mezcla de polvo y agua.

Una densidad más alta permite llenar más propulsor en los tanques, dando una ventaja delta-v para situaciones que no están limitadas en masa.
... que no es prácticamente ninguna parte en la que un NTR sería útil.

Más masa a velocidades más bajas también significa una mayor relación T/W para la misma potencia del reactor.
... que tampoco es realmente un caso de uso para un NTR.

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