Satu pulsa medan magnet berputar dari perangkat konfigurasi medan terbalik Princeton (PFRC 2) dalam pengujian
Mesin Fusi Langsung (bahasa Inggris: Direct Fusion Drive/DFD) adalah mesin fusi nuklir konseptual dengan radioaktivitas rendah, yang dirancang untuk menghasilkan gaya dorong dan tenaga listrik untuk pesawat ruang angkasa antarplanet. Konsep ini didasarkan pada reaktor konfigurasi medan terbalik Princeton yang ditemukan pada tahun 2002 oleh Samuel A. Cohen, dan sedang dimodelkan dan diuji secara eksperimental di Princeton Plasma Physics Laboratory, fasilitas Departemen Energi AS, dan dimodelkan dan dievaluasi oleh Princeton Satellite Systems. Hingga 2018, konsep tersebut telah beralih menuju Fase II untuk mengembangkan mesin ini lebih lanjut.[1]
Prinsip
Direct Fusion Drive (DFD) adalah mesin pesawat ruang angkasa bertenaga fusi konseptual, dinamai demikian karena kemampuannya untuk menghasilkan dorongan dari fusi tanpa melalui langkah penghasil listrik perantara. DFD menggunakan pengurungan magnetik baru dan sistem pemanas, dipicu dengan campuran helium-3 (He-3) dan deuterium (D), untuk menghasilkan tenaga spesifik, dorongan bervariabel, dan impuls spesifik yang tinggi, serta menjadi propulsi pesawat ruang angkasa beradiasi rendah.[2] Fusi terjadi ketika inti atom, yang terdiri dari satu spesies gas dalam plasma panas (100 keV atau 1.120.000,00 K), yaitu kumpulan partikel bermuatan listrik yang mencakup elektron dan ion, bergabung (atau berfusi) bersama-sama, melepaskan sejumlah besar energi. Dalam sistem DFD, plasma dikurung dalam medan magnet seperti torus di dalam koil solenoidal linier dan dipanaskan oleh medan magnet yang berputar hingga mencapai suhu fusi.[2] Radiasi Bremsstrahlung dan synchrotron yang dipancarkan dari plasma ditangkap dan dikonversi menjadi listrik untuk komunikasi, pemeliharaan stasiun ruang angkasa, dan menjaga suhu plasma.[3] Desain ini menggunakan "antena" gelombang radio (RF) berbentuk khusus untuk memanaskan plasma.[4] Desain ini juga mencakup baterai yang dapat diisi ulang atau unit daya bantu deuterium- oksigen untuk memulai atau memulai ulang DFD.[2]
Energi radiasi yang ditangkap memanas hingga suhu 1.500 K (1.230 °C; 2.240 °F), cairan He-Xe yang mengalir di luar plasma, di dalam struktur yang mengandung boron. Energi itu dimasukkan melalui generator siklus Brayton loop tertutup untuk mengubahnya menjadi listrik untuk digunakan dalam memberi energi pada kumparan, memberi daya pada pemanas RF, mengisi daya baterai, komunikasi, dan fungsi pemeliharaan pesawat.[5] Menambahkan propelan ke aliran plasma tepi menghasilkan dorongan dan impuls spesifik bervariabel ketika disalurkan dan dipercepat melalui nosel magnetik. Aliran momentum yang melewati nosel ini sebagian besar dibawa oleh ion-ion saat ion-ion ini mengembang melalui nosel magnetik dan dengan demikian, berfungsi sebagai pendorong ion.[5]
Pengembangan
Konstruksi perangkat penelitian eksperimental dan sebagian besar operasi awal didanai oleh Departemen Energi AS. Studi terbaru — Fase I dan Fase II — didanai oleh program NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC).[6] Serangkaian artikel tentang konsep ini diterbitkan antara tahun 2001 dan 2008, hasil eksperimen pertama dilaporkan pada tahun 2007. Sejumlah penelitian tentang misi pesawat ruang angkasa (Fase I) diterbitkan, dimulai pada tahun 2012. Pada tahun 2017 tim melaporkan bahwa "Studi tentang pemanasan elektron dengan metode ini telah melampaui prediksi teoritis, dan eksperimen untuk mengukur pemanasan ion di mesin generasi kedua sedang berlangsung."[7] Pada 2018, konsep tersebut telah beralih menuju Fase II untuk lebih memajukan desain.[8][9] Unit ukuran penuh akan berukuran sekitar 2 m dengan diameter dan panjang 10 m.[10]
Stephanie Thomas adalah wakil presiden Princeton Satellite Systems dan juga Peneliti Utama untuk Direct Fusion Drive.[11]
Proyeksi kinerja
Analisis memprediksikan bahwa Direct Fusion Drive akan menghasilkan gaya dorong antara 5-10 Newton[12] untuk setiap MW tenaga fusi yang dihasilkan,[13] dengan impuls spesifik (Isp) sekitar 10.000 detik dan 200 kW tenaga listrik.[14] Sekitar 35% dari tenaga fusi menjadi gaya dorong, 30% menjadi tenaga listrik, 25% hilang menjadi panas, dan 10% disirkulasikan kembali untuk pemanasan RF.[12]
Pemodelan menunjukkan bahwa teknologi ini berpotensi mendorong pesawat ruang angkasa dengan massa sekitar 1.000 kg (2.200 pon) ke Pluto dalam 4 tahun.[15] Karena DFD menyediakan tenaga serta gaya dorong dalam satu perangkat terintegrasi, DFD juga akan menyediakan tenaga sebanyak 2 MW untuk muatan pada saat kedatangan, memperluas pilihan untuk pemilihan instrumen, komunikasi laser/optik,[16][15] dan bahkan mentransfer hingga 50 kW daya dari pengorbit ke pendarat melalui sinar laser yang beroperasi pada panjang gelombang 1080 nm.[16]
Para perancang berpikir bahwa teknologi ini secara radikal dapat memperluas kemampuan sains dari misi-misi planet.[17] Teknologi tenaga/propulsi ini telah disarankan untuk digunakan pada misi pengorbit dan pendarat Pluto,[18][17] serta integrasi pada pesawat ruang angkasa Orion untuk mengangkut misi awak ke Mars dalam waktu yang relatif singkat[19][20] (4 bulan, alih-alih 9 bulan dengan teknologi saat ini).[21]
^[1]. Yosef S. Razin, Gary Pajer, Mary Breton, Eric Ham, Joseph Mueller, Michael Paluszek, Alan H. Glasser, Samuel A. Cohen. Acta Astronautica. Volume 105, Issue 1, December 2014, Pages 145-155. DOI:10.1016/j.actaastro.2014.08.008.
