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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
así que lo de siempre: estupendo
