Naves espaciales de propulsión nuclear: por qué vuelven a soñar con cohetes atómicos – Física Mundial

Naves espaciales de propulsión nuclear: por qué vuelven a soñar con cohetes atómicos – Física Mundial

Marca de tiempo: 1 de febrero de 2024 5:00 AM

Lanzar cohetes al espacio con bombas atómicas es una idea descabellada que afortunadamente fue descartada hace muchas décadas. Pero como Richard Corfield descubre que el potencial de utilizar la energía de los motores nucleares para impulsar los viajes espaciales vuelve a estar en la agenda de la NASA

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Volviéndose nuclear El cohete DRACO de Estados Unidos utilizará el calor de un reactor de fisión para impulsarlo al espacio. (Cortesía: Lockheed Martin)”> Una representación del cohete de propulsión nuclear DRACO dirigiéndose al espacio.
Volviéndose nuclear El cohete DRACO de Estados Unidos utilizará el calor de un reactor de fisión para impulsarlo al espacio. (Cortesía: Lockheed Martin)

En 1914, HG Wells publicó El mundo establece gratis, una novela basada en la idea de que algún día el radio podría impulsar naves espaciales. Wells, que estaba familiarizado con el trabajo de físicos como Ernest Rutherford, sabía que el radio podía producir calor y imaginó su uso para hacer girar una turbina. El libro podría haber sido una obra de ficción, pero El mundo establece gratis previó correctamente el potencial de lo que podríamos llamar “naves espaciales atómicas”.

La idea de utilizar la energía nuclear para los viajes espaciales se afianzó en el decenio de 1950, cuando el público, tras haber presenciado los horrores de Hiroshima y Nagasaki, se convenció gradualmente de la utilidad de la energía nuclear con fines pacíficos. Gracias a programas como el de Estados Unidos Átomos para la paz, la gente empezó a ver que la energía nuclear podía utilizarse para obtener energía y transporte. Pero quizás la aplicación más radical se encuentre en los vuelos espaciales.

Entre los más firmes defensores de los viajes espaciales con propulsión nuclear se encontraba el eminente físico matemático. Freeman Dyson. En 1958 se tomó un año sabático del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton para trabajar en General Atomics de San Diego en un proyecto cuyo nombre clave era Orion. La creación de Ted Taylor, un físico que había trabajado en el proyecto de la bomba atómica de Manhattan en Las Álamos, proyecto Orión El objetivo era construir una nave espacial de 4000 toneladas que utilizaría 2600 bombas nucleares para impulsarla al espacio.

Lanzar bombas atómicas desde la parte trasera de una nave espacial parece una locura desde el punto de vista medioambiental, pero Dyson calculó que “sólo” entre 0.1 y 1 estadounidenses contraerían cáncer con este método. El proyecto contó incluso con el apoyo de un experto en cohetes. Wernher von Brauny se llevaron a cabo una serie de vuelos de prueba no nucleares. Afortunadamente, el Tratado de prohibición parcial de pruebas de 1963 puso fin al Proyecto Orión, y el propio Dyson posteriormente retiró su apoyo a las naves espaciales atómicas después de reconocer tardíamente sus peligros ambientales.

A pesar de la finalización del Proyecto Orión, el atractivo de la propulsión nuclear nunca desapareció (ver recuadro “Viajes espaciales nucleares: una breve historia”) y ahora está disfrutando de una especie de resurgimiento. Sin embargo, en lugar de utilizar bombas atómicas, la idea es transferir la energía de un reactor de fisión nuclear a un combustible propulsor, que se calentaría a aproximadamente 2500 K y se expulsaría a través de una boquilla en un proceso llamado "propulsión térmica nuclear" (NTP). . Alternativamente, la energía de fisión podría ionizar un gas que sería expulsado desde la parte trasera de la nave espacial, lo que se conoce como “propulsión eléctrica nuclear” (NEP).

Entonces, ¿son los viajes espaciales con propulsión nuclear una perspectiva realista y, de ser así, qué tecnología ganará?

Viajes espaciales nucleares: una breve historia

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02-Feat-Corfield_rockets_dyson.jpg" data-caption="Sueños locos Los físicos Ted Taylor y Freeman Dyson imaginaron usar bombas nucleares para poner una nave espacial en órbita. (Cortesía: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)” title=”Haga clic para abrir la imagen en la ventana emergente” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02- Hazaña-Corfield_rockets_dyson.jpg”>Una ilustración de dos físicos imaginando el uso de energía nuclear para propulsar cohetes.
Sueños locos Los físicos Ted Taylor y Freeman Dyson imaginaron usar bombas nucleares para poner una nave espacial en órbita. (Cortesía: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)

La idea de los vuelos espaciales con propulsión nuclear se remonta a la década de 1950, cuando el físico Freeman Dyson propuso utilizar bombas atómicas para impulsar cohetes al espacio. Afortunadamente, esa idea se abandonó rápidamente, pero en las décadas de 1960 y 1970, la NASA y la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos dirigieron el proyecto. Motor nuclear para aplicaciones de vehículos cohete (NERVA), cuyo objetivo era utilizar el calor de una reacción de fisión para impulsar un cohete al espacio. Aunque nunca se lanzó una misión nuclear, NERVA sí condujo a varios avances en el diseño, la fabricación, la turbomaquinaria y la electrónica del reactor.

Más tarde, en la década de 1980, Estados Unidos creó el fondo de inversión de 200 millones de dólares. Propulsión térmica nuclear espacial (SNTP), cuyo objetivo era desarrollar cohetes de propulsión nuclear que fueran dos veces más potentes que los motores de cohetes químicos tradicionales. SNTP era parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica de Estados Unidos, que el presidente Ronald Reagan había establecido para proteger a Estados Unidos de los misiles nucleares entrantes. El SNTP se abandonó a principios de la década de 1990 porque los elementos combustibles tendían a fracturarse bajo tensión y las pruebas del sistema de propulsión se consideraron demasiado costosas. Ahora, sin embargo, la NASA vuelve a centrarse en los viajes espaciales nucleares (ver texto principal).

Impulso nuclear

La mayoría de los cohetes convencionales funcionan con combustibles químicos ordinarios. El Cohete Saturno V que llevó a los astronautas a la Luna a finales de los años 1960 y principios de los 1970, por ejemplo, utilizaban combustibles líquidos, mientras que los propulsores de cohetes que fallaron tan espectacularmente durante el lanzamiento del transbordador espacial Challenger en 1986 contenía combustible sólido.

Más recientemente, Los cohetes Falcon de Space X, por ejemplo, han utilizado una mezcla de queroseno y oxígeno. El problema es que todos estos propulsores tienen una “densidad de energía” relativamente pequeña (energía almacenada por unidad de volumen) y un “impulso específico” bajo (la eficiencia con la que pueden generar empuje). Esto significa que el empuje total del cohete (el impulso específico multiplicado por el caudal másico de los gases de escape y la gravedad de la Tierra) es bajo.

Por lo tanto, los propulsores químicos sólo pueden llegar hasta cierto punto, siendo la Luna el límite tradicional. Para llegar a planetas distantes y otros destinos del “espacio profundo”, las naves espaciales suelen aprovechar la atracción gravitacional de múltiples planetas diferentes. Sin embargo, estos viajes son tortuosos y llevan mucho tiempo. La misión Juno de la NASA, por ejemplo, era necesaria cinco años llegar a Júpiter, mientras que la nave Voyager tardó más de 30 años en llegar a Júpiter. borde del sistema solar. Estas misiones también están restringidas por ventanas de lanzamiento estrechas y poco frecuentes.

En cambio, una nave espacial nuclear utilizaría energía de fisión para calentar un combustible (figura 1), muy probablemente hidrógeno líquido almacenado criogénicamente, que tiene una masa molecular baja y un alto calor de combustión. "La propulsión nuclear, ya sea eléctrica o térmica, podría extraer más energía de una determinada masa de combustible que la que es posible mediante la propulsión basada en la combustión", afirma dale thomas, ex director asociado del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA, ahora en la Universidad de Alabama en Huntsville.

1 Dentro de una nave espacial de propulsión nuclear

Un diagrama esquemático que muestra los componentes de un cohete térmico nuclear.
(Cortesía: NASA)

En un cohete que utiliza propulsión térmica nuclear, un fluido de trabajo, generalmente hidrógeno líquido, se calienta a una temperatura alta en un reactor nuclear y luego se expande a través de una boquilla para generar empuje. Al proporcionar una velocidad de escape efectiva más alta, un cohete de este tipo duplicaría o triplicaría la capacidad de carga útil en comparación con los propulsores químicos que almacenan energía internamente.

Thomas dice que los sistemas de propulsión química más eficientes de la actualidad pueden lograr un impulso especifico de unos 465 segundos. El NTP, por el contrario, puede tener un impulso específico de casi 900 segundos debido a la mayor densidad de potencia de las reacciones nucleares. Combinado con una relación empuje-peso mucho mayor, NTP podría llevar un cohete a Marte en sólo 500 días, en lugar de 900.

"La relación empuje-peso es crucial porque determina la capacidad de aceleración de la nave espacial, lo cual es especialmente crítico durante las fases clave de la misión, como escapar de la gravedad de la Tierra o maniobrar en el espacio profundo", dice Mauro Augelli, jefe de sistemas de lanzamiento de la Agencia Espacial del Reino Unido. "El impulso específico, por otro lado, es una medida de la eficacia con la que un cohete utiliza su propulsor".

La propulsión nuclear, ya sea eléctrica o térmica, podría extraer más energía de una determinada masa de combustible que la que es posible mediante la propulsión basada en la combustión.

Dale Thomas, Universidad de Alabama en Huntsville

Básicamente, con una determinada cantidad de propulsor, una nave espacial de propulsión nuclear podría viajar más rápido y mantener su empuje durante períodos más largos que un cohete químico. Por lo tanto, sería fantástico para las misiones tripuladas a Marte: los astronautas no sólo viajarían más rápido, sino que, como resultado de ello, estarían expuestos a menos radiación cósmica. "Además, las duraciones más cortas de las misiones reducen los desafíos logísticos y de soporte vital, lo que hace que la exploración del espacio profundo sea más factible y segura", añade Augelli.

Pero la energía nuclear no se trata sólo de reducir los tiempos de viaje. La NASA también tiene un programa dedicado en su Centro de investigación Glenn en Cleveland, Ohio, para utilizar la fisión nuclear –en lugar de energía solar o combustibles químicos– para impulsar naves espaciales una vez que hayan llegado a su destino. "La energía nuclear ofrece beneficios únicos para operar en entornos extremos y regiones del espacio donde los sistemas solares y químicos son inadecuados o imposibles como fuentes de energía para un funcionamiento prolongado", dice el director del programa. Lindsay Kaldon.

De vuelta en acción

En 2020, el gobierno de EE. UU. volvió a colocar firmemente las naves espaciales nucleares en la agenda al adjudicando casi 100 millones de dólares a tres empresas: General Atomics, Lockheed Martin y Blue Origin. Utilizarán el dinero para trabajar en el Cohete de demostración para operaciones cislunares ágiles (DRACO), que se financia a través del DARPA Agencia de investigación del Departamento de Defensa de Estados Unidos. En la primera fase, las empresas tendrán como objetivo demostrar que NTP se puede utilizar para volar un cohete por encima de la órbita terrestre baja, y DARPA apuntará a relaciones empuje-peso a la par con los sistemas de cohetes químicos existentes.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="Energía bajo demanda Un sistema de energía de superficie de fisión como este podría proporcionar energía eléctrica segura, eficiente y confiable en la Luna y Marte. (Cortesía: NASA)” title=”Haga clic para abrir la imagen en la ventana emergente” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -los-cohetes-estan-de-vuelta-al-mundo-de-la-física-3.jpg”>Un sistema de energía de superficie de fisión
Energía bajo demanda Un sistema de energía de superficie de fisión como este podría proporcionar energía eléctrica segura, eficiente y confiable en la Luna y Marte. (Cortesía: NASA)

Tabitha Dodson, director del programa DARPA de DRACO, cree que el exitoso lanzamiento y vuelo de un reactor espacial nuclear a través del programa DRACO revolucionaría los vuelos espaciales. "A diferencia de los sistemas químicos actuales, que han llegado a un límite en cuanto a su capacidad de evolución, se teoriza que las tecnologías nucleares evolucionan hacia sistemas como la fusión y más allá", afirma. "Las naves espaciales evolucionadas para ser maniobradas y propulsadas por reactores nucleares permitirán a la humanidad llegar más lejos, con mayores posibilidades de supervivencia y éxito en cualquier tipo de misión".

En el programa DRACO, General Atomics diseñará el reactor NTP y elaborará un plano para un subsistema de propulsión, mientras que Blue Origin y Lockheed Martin planificarán la propia nave espacial. El reactor de fisión utilizaría un especial uranio poco enriquecido de alto ensayo (HALEU), que se puede fabricar utilizando combustible reciclado de reactores nucleares existentes. Al contener sólo uranio enriquecido al 20%, no es apto para convertirse en armas nucleares.

El reactor no se encendería (es decir, se volvería crítico) hasta que la nave hubiera alcanzado una órbita "nuclear segura". En otras palabras, en el improbable caso de una emergencia, cualquier contaminación se disiparía inofensivamente en el espacio. Lockheed Martin ya ha unido fuerzas con BWX Technologies de Lynchburg, Virginia, para desarrollar el reactor y producir el combustible HALEU. BWX dice que podría lanzarse un cohete DRACO tan pronto como 2027.

En otros lugares, investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho en los EE. UU. están ayudando a la NASA a desarrollar y probar los materiales necesarios para un cohete nuclear en su Prueba de reactor transitorio (TREAT) cerca de Idaho Falls. El año pasado ya realizaron un ensayo para validar los modelos informáticos y probar un nuevo sensor y una cápsula experimental. A largo plazo, el objetivo es identificar qué materiales, estructuras compuestas y compuestos de uranio funcionan mejor en las condiciones extremadamente calientes de un reactor NTP.

El calor del reactor calentaría el combustible de hidrógeno, que proporciona el mayor cambio de velocidad, lo que los científicos de cohetes llaman Δ.v – para una masa dada. La desventaja del hidrógeno es que tiene baja densidad y el cohete necesitaría tanques grandes. Otros propulsores, como el amoníaco, tienen un Δ más bajo.v por kilogramo de propulsor, pero son mucho más densos. En Huntsville, Thomas ha demostrado que el amoníaco sería el combustible ideal para llevar a los astrónomos a Marte desde la sonda de la NASA. Portal lunar – una estación espacial que orbitaría la Luna.

Habiendo publicado una revisión de la tecnología NTP Para el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica en 2020, Thomas concluyó que los sistemas NTP regulares, que ofrecen mucho empuje para tiempos cortos de aproximadamente 50 minutos, serán ideales para sobrevuelos y misiones de encuentro. Pero también existen sistemas “bimodales”, que combinan NTP con NEP (ver recuadro “Los desafíos de la propulsión eléctrica nuclear”). El primero proporciona ráfagas rápidas de gran empuje, mientras que el segundo produce un empuje bajo durante períodos más prolongados, perfecto para misiones largas de ida y vuelta.

Kate HaggertyKelly, director de espacio e ingeniería de BWX Technologies, dice que la propulsión térmica nuclear en general puede ser de dos a cinco veces más eficiente que los sistemas de propulsión química y, al mismo tiempo, ofrecer un alto empuje. "[En contraste], los sistemas de propulsión eléctrica nuclear pueden proporcionar mayor eficiencia pero menor empuje, y la energía generada mediante la fisión nuclear puede convertirse en electricidad para proporcionar energía a los subsistemas de la nave espacial".

Los desafíos de la propulsión eléctrica nuclear

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02-Feat-Corfield_rockets_Kaldon.jpg" data-caption="Pensador avanzado Lindsay Kaldon, directora de proyectos de energía de fisión en la superficie de la NASA, cree que la energía constante de la propulsión eléctrica nuclear permitirá viajes fiables al espacio profundo. (Cortesía: NASA)” title=”Haga clic para abrir la imagen en la ventana emergente” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02-Feat-Corfield_rockets_Kaldon.jpg”>Lindsay Kaldon
Estable mientras avanzamos Lindsay Kaldon, directora de proyectos de energía de fisión en la superficie de la NASA, cree que la energía constante de la propulsión eléctrica nuclear permitirá viajes fiables al espacio profundo. (Cortesía: NASA)

La propulsión térmica nuclear (NTP) implica utilizar la energía de una reacción nuclear para calentar el combustible que se dispara desde la parte trasera de un cohete, como el aire de un globo de juguete. Pero con la propulsión eléctrica nuclear (NEP), la energía de fisión se utiliza para ionizar un gas. "El propulsor expulsado por un sistema NEP puede ser un gas inerte, como xenón o criptón, pero el yodo, el litio o el hidrógeno pueden ser opciones dependiendo del tipo de propulsor eléctrico", afirma Lindsay Kaldon, directora de proyectos de potencia de superficie de fisión en el Centro de Investigación Glenn de la NASA.

A medida que el propulsor se ioniza, el gas puede guiarse y acelerarse mediante dispositivos electromagnéticos para darle a la nave espacial su movimiento de avance. Kaldon admite que la cantidad de empuje es mucho menor que la que obtendría con un cohete NTP. "Piense en NEP como un velero con una ligera brisa en comparación con una lancha rápida", dice. "Sin embargo, esto es realmente todo lo que necesitamos para un viaje estable y confiable al espacio profundo".

El desafío para Kaldon y sus colegas de Glenn es garantizar que el reactor produzca suficiente electricidad para ionizar el propulsor y que los propulsores funcionen sin problemas. Una opción es utilizar un "Motor Stirling", que utiliza la compresión y expansión cíclica de gas entre un extremo frío y uno caliente del motor para producir electricidad. La otra opción es una “Propulsor de efecto Hall”, que crea un voltaje combinando un conductor eléctrico con un campo magnético perpendicular al conductor.

Entonces, ¿será mejor NTP o NEP para las operaciones en el espacio profundo? Según Thomas, dependerá del tipo de misión. “Para misiones de una determinada clase, como naves espaciales científicas de una determinada masa, o misiones tripuladas, o para determinados destinos, NTP será la mejor opción, mientras que para otras misiones NEP será la mejor. Al igual que un viaje en coche, depende de la distancia, de la cantidad de equipaje que lleves, de tus exigencias de horario, etc.”.

Futuro nuclear

La NASA ya está considerando varias misiones espaciales de propulsión nuclear. De acuerdo a un informe publicado en junio de 2021, estos podrían incluir naves que orbitarán varias lunas de Urano y Júpiter, y otras que orbitarán y aterrizarán en la luna Tritón de Neptuno. El informe también prevé la entrada de un cohete de propulsión nuclear en una órbita polar alrededor del Sol y posiblemente incluso una misión al espacio interestelar.

En última instancia, algún tipo de propulsión nuclear –ya sea sola o combinada con otro tipo de propulsión– será una parte importante de los futuros esfuerzos espaciales de la humanidad. Dado que la NASA, la Agencia Espacial del Reino Unido y la Agencia Espacial Europea están considerando los vuelos espaciales con propulsión nuclear, mi apuesta es que las primeras misiones tripuladas a Marte, para la década de 2030, utilizarán alguna forma de esta tecnología. Estoy seguro de que el sueño de Freeman Dyson pronto podría ver la luz.

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