Cuestiones de astronáutica (5): misión a Marte (2)

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Telescopio
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Cuestiones de astronáutica (5): misión a Marte (2)

Mensajepor Telescopio » 27 May 2005, 13:48

Hola

Decíamos ayer...

Estamos en el año 2010 y los responsables de las agencias espaciales norteamericana, europea y rusa están enfrascados en el diseño de la primera misión tripulada a Marte. A la hora de elegir el sistema de propulsión del vehículo, se había descartado (ver entrega anterior) la propulsión química por su bajo impulso específico, que obligaría a un viaje de muy larga duración. Así las cosas, veamos que ofrece la actual tecnología nuclear.

2) Propulsión térmica nuclear de fisión: Desde los primeros días de la ciencia astronáutica, sus pioneros tuvieron claro que la expansión de la Humanidad por el Sistema Solar dependería de la explotación de la fuerza el átomo. Como cualquiera que sepa algo de energía nuclear conoce, la desintegración de 28,5 gramos de uranio (una onza) produce tanta energía como 90 toneladas de carbón o 7.500 litros de petróleo.

Así pues, no debe extrañar que los proyectos para emplear reactores nucleares en el espacio sean casi contemporáneos a los primeros balbuceos de la era espacial. Incluso, como veremos más adelante, se llegó a proponer el uso de bombas nucleares para la propulsión de naves espaciales (propulsión nuclear pulsante, cuyo ejemplo clásico es el proyecto Orión).

El uso de la energía nuclear en el espacio presenta dos variantes: la de producción de electricidad (ya sea para alimentar los sistemas eléctricos de la nave -como se hace actualmente con los generadores de radioisótopos o RTG-, ya para generar y acelerar partículas o plasma -sistemas iónicos o magnetoplasmadinámicos-, conocida como NEP o Nuclear Electric Propulsion) y la de emplear un reactor nuclear como fuente de energía para el calentamiento de una masa de reacción (habitualmente, hidrógeno), que es expulsada a alta velocidad por la tobera. Esta última variante es conocida en inglés como Nuclear Thermal Rocket o NTR, y es la que aquí nos interesa.

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Nave tripulada de propulsión nuclear sobre la Luna

Como veremos en otra entrega, existen diversos tipos de NTR, pero el más estudiado y experimentado hasta hoy es el reactor nuclear de núcleo sólido y que a grandes rasgos consiste en un reactor de uranio 235 o plutonio 239 en cuyo interior existen unos conductos por los que circula un propulsor a alta presión (habitualmente, hidrógeno) que tras calentarse a una temperatura muy alta (en torno a los 2.550 K ó 2.277º) es expulsado a gran velocidad por la tobera (8.280 metros/s, que se traduce en un Isp de 845 segundos -con otras sustancias diferentes del hidrógeno, el Isp sería menor-). La fuerza de empuje es menor que la de los cohetes químicos, pero puede mantenerse el impulso más tiempo. Para una misión tripulada a Marte, en los años 60 se consideró adecuado un empuje de 90.700 kg.

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Esquema de un NTR

A mediados de los años 50 se inició en EEUU el proyecto Rover, un esfuerzo tecnológico para construir un NTR viable. En 1961 el presidente Kennedy recomendó el desarrollo de esta tecnología para su uso en el programa espacial y como resultado desde 1963 se inició el programa de investigación NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) desarrollado para la NASA y la Comisión de Energía Atómica por diversas empresas e instituciones. Se diseñaron y construyeron varios prototipos estáticos que fueron probados en 23 ocasiones en un centro de pruebas de Nevada. El programa fue finalmente suspendido en 1973, cuando se estaba desarrollando un prototipo para las pruebas de vuelo.

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Prototipo de motor nuclear del programa NERVA

El éxito del programa lunar Apolo, el alto coste del proyecto (ya se habían gastado 1.500 millones de dólares) en un contexto de dificultades presupuestarias derivadas de la guerra de Vietnam, las crecientes presiones de las organizaciones ecologistas, la apuesta por la tecnología química criogénica (hidrógeno y oxígeno líquidos) para el proyecto Shuttle y la decisión de suspender el fantasioso programa tripulado marciano (que preveía el aterrizaje de astronautas en Marte a principios de los 80) en favor de las misiones robóticas pusieron punto y a parte al más serio y ambicioso programa de propulsión nuclear norteamericano. Si los rusos hubieran ganado la carrera lunar, quizás las cosas hubieran sido diferentes.

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Las naves nucleares del programa marciano de finales de los 60 en tránsito
hacia Marte, mostrando las secciones tripuladas y los módulos de descenso


Pero por supuesto, la investigación en propulsión nuclear no se abandonó del todo (los rusos estaban consiguiendo grandes avances en este terreno) y en los años 80, de la mano de los proyectos militares espaciales norteamericanos, se renovó el interés por esta opción para la propulsión de grandes cargas espaciales. A lo largo de los 90 las noticias sobre cohetes nucleares aparecieron con creciente frecuencia en los medios de comunicación y actualmente parece que las agencias espaciales mundiales tienen muy claro que si el hombre se expande por el Sistema Solar lo hará a lomos de la energía nuclear, y hay por ello en marcha programas y diseños realmente muy interesantes, como ahora mismo veremos.

Los diseños de NTR de los años 60 enfrentaban diversos problemas, y no era el menor de ellos el de las altas temperaturas que alcanzaba el reactor y que pone un límite a la velocidad del chorro de gases; por otro lado, los elementos del reactor estaban expuestos a los efectos corrosivos de los propulsantes a altas temperaturas; además, era preciso desperdiciar propelente para enfriar el reactor tras su uso y la máquina sufría un tremendo desgaste en los ciclos de funcionamiento (encendido, funcionamiento, apagado...). Por fortuna, se ha avanzado mucho en tecnología de materiales y los nuevos diseños son más seguros y avanzados.

Por ejemplo, el problema de los ciclos de encendido/apagado se ha solventado con la aparición de los NTR bimodales. En este tipo de cohete nuclear, el reactor es encendido una única vez y, tras dar empuje y velocidad a la nave, se utiliza un intercambiador de calor dotado de un gran radiador para bajar la temperatura del reactor justo al nivel de un sistema nuclear de producción eléctrica (con capacidad para generar unos 50 KW). De este modo no es necesario disponer paneles solares o pesadas células de combustible y la misión disfruta de los beneficios de un gran suministro eléctrico (mejores comunicaciones, más dotación científica, gravedad artificial por rotación, etc.), no se desperdicia propelente y cuando sea necesario volver a disponer de empuje, basta con aumentar la temperatura del reactor y dejar fluir el hidrógeno. Como el reactor no arranca de frío el desgaste es mucho menor.

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Esquema de un motor nuclear bimodal

Otra propuesta muy interesante dentro de la propulsión térmica nuclear es la del concepto MITEE (MIniature ReacTor EnginE), una familia de pequeños NTR bimodales avanzados que en su versión básica (hidrógeno líquido) tiene una velocidad del chorro de gases de 9.810 metros/s -lo que se traduce en un Isp de 1.000 segundos- y un empuje de 14.000 Newtons (1.428 kg). La masa de estos motores (unos 350 kilos) y su escaso tamaño (55 cm de diámetro exterior) permite su instalación en sondas robotizadas lanzadas mediante cohetes como el Ariane 5 ó el Delta IV, lo que convierte a este tipo de dispositivo en una opción muy interesante para futuras misiones al sistema solar exterior o para misiones marcianas de recogida de muestras. Parece que la NASA está pensando en hacer pruebas de esta tecnología hacia el año 2008.

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Esquema de la tecnología MITEE

El funcionamiento del MITEE difiere del de un NTR clásico en que mientras que en este último los elementos del combustible nuclear están todos agrupados en una única cámara con sus respectivas barras moderadoras, en el MITEE hay una especie de panal que contiene un número variable de tubos de presión (37 ó 61) en cuyo interior un "caparazón" de berilio (elemento moderador) rodea un cilindro central de tugseno que contiene en su matriz el combustible nuclear (dióxido de uranio) dispersado en partículas. El hidrógeno líquido circula alrededor de las cilindros de tugseno través de una serie de perforaciones, saliendo por un canal central hacia la tobera a 2.750 K. Una vez cumplida su misión de propulsión, el MITEE funcionaría a baja potencia suministrando a la nave 1-2 KW de electricidad.

Una versión avanzada del MITEE, conocida como motor híbrido eléctrico termal, permite el empleo a baja presión de varios de los tubos para mover una turbina con la que generar electricidad suficiente para disociar el hidrógeno. El hidrógeno monoatómico resultante circularía a alta presión por el resto de los tubos, saliendo por la tobera a muy alta velocidad (17.600 metros/s, esto es, un Isp de 1.800 segundos).

Pero parece que la atención de la NASA en lo que a propulsión térmica nuclear para misiones tripuladas se refiere está más orientada hacia el concepto LANTR (Lox Aumented Nuclear Thermal Rocket), del que podríamos decir que es la versión nuclear de la conocida postcombustión que emplean los cazabombarderos (técnica consistente en inyectar combustible en el chorro de gases del reactor para conseguir más potencia). En el LANTR se inyecta oxígeno líquido en la tobera para que se mezcle con el hidrógeno expulsado a alta temperatura, provocando así un incremento del empuje de hasta un 200%, si bien a cambio de reducir el Isp a 643 segundos.

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Esquema de funcionamiento del motor nuclear LANTR

A partir de esta idea, la empresa Pratt&Whitney, en colaboración con la NASA, la Universidad de Florida y otras empresas, ha diseñado recientemente el motor trimodal TRITON (Trimodal capable Thrust Optimized Nuclear propulsion). Como su propio nombre indica, este NTR funciona en tres modos: (1) como NTR estándar, con un empuje de 56.750 kg y un Isp de 900 segundos; (2) como generador eléctrico nuclear, produciendo entre 25 y 100 KW de potencia; (3) en "postcombustión", con un alto empuje.

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Esquema de funcionamiento del TRITON de P&W

Este triple sistema de funcionamiento es idoneo para misiones marcianas por su flexibilidad. El modo 1 (empuje moderado, alto Isp) sería adecuado para acelerar naves tripuladas, mientras que el modo 3 (alto empuje) se emplearía para el envío de grandes cargas no tripuladas en viajes algo más lentos o para la salida rápida de órbita de aparcamiento de naves tripuladas. Todo estaría en función de la razón de masas a emplear. En un vuelo de carga -módulos, combustible, etc- con un DeltaV de 7,7 km/s la fracción de carga útil podría ser del 40% de la masa total del vehículo, mientras que en una nave cuyo único fin fuese el traslado de los expedicionarios hasta la órbita marciana, la fracción de carga útil -el alojamiento de los astronautas- podría ser del 17%. Si se empleasen técnicas de aerofrenado, la nave tripulada podría quemar más propelente para que la duración del viaje se acortase en lo posible.

Russell Joyner (http://www.nuclearspace.com/A_PWrussview_FINX.htm), uno de los responsables del proyecto, ha propuesto que el modo 2 (generación eléctrica) sea aprovechado para obtener más velocidad en la fase de crucero empleando la energía para alimentar un sistema de propulsión eléctrica iónica o, mejor aún, de magnetoplasma. Ello permitiría reducir la duración del viaje a 80 ó 90 días. De llevarse a cabo la propuesta de P&W, el presupuesto del programa sería de unos 800 millones de $.

Bien, pues hasta aquí hemos llegado en nuestra descripción de los sistemas de propulsión térmica nuclear que podrían estar disponibles en unos pocos años. En la próxima entrega examinaremos la otra gran apuesta para la propulsión espacial que hemos mencionado arriba: el cohete de magnetoplasma de impulso específico variable. Posteriormente veremos otras propuestas de propulsión avanzada, tanto térmica nuclear como pulsante, de fisión o fusión, para terminar con la propulsión por antimateria.

Saludos
Última edición por Telescopio el 30 May 2005, 09:38, editado 1 vez en total.

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Mensajepor Jomlop » 29 May 2005, 22:18

Esta vez no hay tantos mensajes de respuesta en plan olé olé pero es que ya nos hemos acostumbrado a lo bueno :lol: así que lo de siempre: estupendo
"Una vez hayas probado el vuelo siempre caminarás por la Tierra con la vista mirando al cielo, porque ya has estado allí y allí siempre desearás volver" Leonardo da Vinci ¡Lo dijo 400 años antes de alguien volase!

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Mensajepor Beam » 31 May 2005, 17:26

¿Sería posible construir uno de esos cohetes impulsados por energía nuclear para construir una lanzadera?

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Mensajepor Telescopio » 01 Jun 2005, 08:02

Beam escribió:¿Sería posible construir uno de esos cohetes impulsados por energía nuclear para construir una lanzadera?


Dependería del tipo de motor. Para que una nave pueda despegar verticalmente desde Tierra, debe disponer de un motor capaz de suministrarle un empuje superior a 1 G (una gravedad). En el caso de la lanzadera espacial (que creo recordar, en el despegue se pone en 4 G), el 70% del empuje necesario para que se levante del suelo no lo da el motor criogénico de hidrógeno y oxígeno líquidos (Isp= 459 segundos), sino los dos cohetes laterales de combustible sólido, que tienen una velocidad de chorro mucho menor (más bajo Isp) pero tienen a cambio un empuje tremebundo. Lo mismo ocurre con el Ariane V.

Desde luego, el empuje que necesita un cohete o lanzadera para el despegue no lo puede suministrar un motor nuclear térmico convencional tipo NERVA. Podría usarse sin embargo para la fase final que se emplea para dar el último "acelerón" a la carga útil e insertarla en órbita terrestre (la NASA lo estudió para su aplicación en el Saturno V). Ahora bien, existen algunos tipos de motores nucleares que con las correspondiente mejoras permitirían despegar a un cohete desde Tierra. Por ejemplo, con la tecnología LANTR, con los motores térmicos de lecho de partículas o con los NTR de tecnología DUMBO (unos motores más ligeros que los NERVA diseñados en los 60). También sería posible hacerlo con motores térmicos de antimateria, pero tanto en una opción como la otra (por no hablar del proyecto Orión) presentan muy serios riesgos medioambientales. No creo que se acercase mucha gente a ver el despegue de un cohete de cuya tobera salieran elementos radiactivos y en caso de accidente a baja altura (recordemos la explosión del Challenger en 1986) con el motor atómico en funcionamiento no me quiero imaginar lo que podría pasar. No es lo mismo un generador de radioisótopos que un NTR.

En resumen, los motores térmicos nucleares son una buena opción para la propulsión en el espacio o como terceras etapas en cohetes muy potentes. Pero para despegar de la Tierra, creo que seguiremos dependiendo de la propulsión química durante mucho tiempo. Quizás si a lo largo del siglo XXI se dan grandes avances en tecnología de antipartículas y se desarrollan técnicas eficaces de contención de la radiación gamma y avances en nuevos materiales, sea posible "enriquecer" la mezcla química con unos cuantos nanogramos o microgramos de antihidrógeno y seamos capaces de poner en órbita cargas de 300 ó 500 toneladas con un cohete de una o dos fases. Pero de momento...

Saludos

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