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03/03/2024

El futuro de la propulsión nuclear en las misiones de la NASA

Fermín Romero / Viernes, 24 Noviembre 2023 - 01:00

La propulsión nuclear ha sido un tema de interés creciente en las misiones espaciales de la NASA debido a su capacidad para proporcionar un impulso significativo y sostenido, lo que -sin duda- revolucionará la exploración espacial.

Actualmente, se están desarrollando tecnologías de propulsión nuclear, como los motores de propulsión térmica nuclear y los motores de propulsión de fisión, para llevar a cabo misiones más eficientes y de mayor alcance en el espacio profundo.

En esa perspectiva, la NASA continúa invirtiendo en el desarrollo e investigación de sistemas de propulsión nuclear para las misiones de exploración espacial. Estos sistemas podrían permitir viajes más rápidos y eficientes, reduciendo significativamente los tiempos de viaje hacia destinos distantes, como Marte o más allá del sistema solar. Sin embargo, existen desafíos técnicos, logísticos, regulatorios y de seguridad asociados con la implementación de la propulsión nuclear en misiones espaciales. 

La seguridad es una preocupación principal, ya que se requiere un manejo cuidadoso de los materiales nucleares y se deben implementar salvaguardias para evitar riesgos potenciales para la tripulación, el medio ambiente en la Tierra y en el espacio.

Además, se requieren inversiones significativas en investigación y desarrollo para perfeccionar estas tecnologías y garantizar su viabilidad, seguridad y sostenibilidad a largo plazo. 

La aceptación pública y la regulación también serán factores clave en la implementación exitosa de la propulsión nuclear en misiones espaciales, ya que requerirá el respaldo de diversos sectores de la sociedad y un marco regulatorio sólido. 

La importancia de la propulsión nuclear para la futura exploración espacial reside en el gran potencial que ofrece para revolucionar los viajes al espacio profundo, pero su implementación depende de avances considerables en los aspectos previamente señalados. 

Si bien la tecnología no es común, puede cambiar las reglas del juego para las naves espaciales de alta potencia; países como Rusia y China pueden tomar el liderazgo en el desarrollo de la propulsión nuclear debido a que cuentan con menos restricciones regulatorias. Tanto China como Europa están estudiando la propulsión nuclear espacial, la matriz de cooperación tecnoeconómica civil-militar y gobierno-comercial concede un comienzo temprano a EE.UU. La velocidad y confiabilidad de la propulsión nuclear espacial brindarán una ventaja competitiva económica a los EE.UU. en la exploración espacial y la utilización de recursos in situ (ISRU), además de garantizar la flexibilidad necesaria para que la USSF resguarde los activos espaciales de los EE. UU. y sus aliados.

La NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa/Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), trabajan conjuntamente -con empresas de la industria espacial militar- en el programa Cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares /Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), enfocado en acelerar el desarrollo de tecnología de cohetes térmicos nucleares, para enviar humanos a Marte en un menor tiempo, menor consumo de propulsor, además de reducir la complejidad y riesgos para la tripulación. 

A finales de julio 2023, ambas agencias designaron, a la empresa Lockheed Martin como contratista principal para diseñar, construir y probar cohetes de propulsión nuclear, a partir de 2027 (si es que no surgen retrasos), BWX Technologies se encarga del diseño y la construcción del reactor de fisión nuclear que impulsará el motor y la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA/Space Technology Missions Directorate (STMD) gestiona y ejecuta el motor DRACO.

Adicionalmente, la NASA colabora con los Departamentos de Defensa (DoD) y Energía (DoE) en proyectos de tecnología nuclear espacial para el diseño de las futuras naves espaciales térmicas nucleares. La prioridad en la NASA es diseñar, construir y validar un sistema de energía vía fisión de uranio de bajo enriquecimiento con una amplia gama de aplicaciones para la superficie lunar y las futuras misiones tripuladas a Marte. Actualmente, existen dos tecnologías de propulsión nuclear para misiones al espacio profundo que se encuentran en un estadio de desarrollo avanzado, la propulsión térmica nuclear y la propulsión electronuclear: 

– Propulsión Térmica Nuclear (NTP): La fisión nuclear es una fuente de energía térmica, el reactor actúa como un intercambiador de calor para aplicaciones de alta eficiencia y alto empuje, para misiones de larga o corta duración. Sus principales desventajas son la gran cantidad de propulsor que requiere y la alta temperatura que genera.

– Propulsión Eléctrica Nuclear (NEP): La fisión nuclear es una fuente de energía térmica que se convierte en electricidad para alimentar propulsores eléctricos que permiten un tránsito rápido a destinos lejanos. Esta técnica utiliza un reactor de fisión para producir electricidad de forma similar a la que usan las centrales nucleares convencionales. El reactor entrega una gran cantidad de energía térmica mediante las reacciones de fisión, después una turbina transforma la energía cinética del vapor en energía mecánica, y un alternador transforma esta última forma de energía en electricidad.

Ambos desarrollos son prometedores, pero aún cuentan con limitaciones, sin embargo, la NEP tiende a aumentar su eficiencia, pero para lograrlo es necesario convertir la energía termonuclear en energía eléctrica mediante un diseño innovador que supere los límites de la propulsión nuclear y la convierta en una opción económicamente sostenible para futuras misiones espaciales. Actualmente, la NTP está más desarrollada que la electronuclear (NEP), pero esta última tiene a su favor varias ventajas que la posicionan como una opción de futuro atractiva. Aunque el impulso que proporciona es menor que el de la NTP, a cambio es continuo y más eficiente, permite a la nave espacial alcanzar una velocidad más alta, por lo que el viaje a Marte se reduciría en un 60% si lo comparamos con el tiempo que invertiría un vehículo espacial con propulsión química convencional. 

El siguiente paso busca desarrollar la propulsión mediante fusión nuclear, el Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad de Princeton, Estados Unidos, ya está probando la tercera generación de su reactor PFRC y, se espera que a mediados de esta década inicien los experimentos con el cuarto prototipo; aunque esta tecnología debe madurar mucho más antes de ser utilizada en una nave espacial. 

La exploración tripulada a los confines de nuestro sistema solar, y más allá, aún se ve lejana, pero el esfuerzo científico y tecnológico que busca hacerla viable está en marcha. La colaboración NASA-DARPA dio lugar a la primera fase de un nuevo motor bimodal nuclear térmico y eléctrico que reducirá de manera drástica el tiempo de viaje a Marte. 

La NASA dio luz verde a la primera fase de desarrollo de un nuevo tipo de motor que usa propulsión dual nuclear térmica y eléctrica, para lanzar astronautas en grandes naves a gran velocidad, con un uso de combustible mínimo. Este motor permitirá misiones interplanetarias con un tiempo de trayecto muy reducido que evada los efectos de la radiación y la falta de gravedad en vuelos tripulados de larga distancia. 

El motor bimodal NTP/NEP de propulsión nuclear térmica y propulsión nuclear eléctrica puede, en teoría, impulsar grandes naves para tripulaciones humanas, con suficientes equipos y materiales para establecer bases temporales en la superficie de Marte, así como en las lunas y planetas del sistema solar. Contrario al nuevo tipo de propulsión espacial que puede alcanzar Marte en una semana, este nuevo sistema llegaría a Marte en 45 días. Pero, no está limitado a cargas de una tonelada como lo está el primero; lo que condiciona a usar esa tecnología para el envío de naves de investigación orbital y rovers. 

Estos motores nucleares “breakthrough”, que desafían las leyes de la física conocida, podrían llevarnos a otras estrellas -como Próxima Centauri- en cuestión de meses, buscan el uso de tecnologías alternativas en cohetes químicos, como la fusión nuclear o los motores de iones de alta potencia que técnicamente pueden lograr viajes a velocidades relativistas (a un porcentaje demostrativo de la velocidad de la luz) e incluso que cubren enormes distancias más rápido que la luz. El uso de estos cohetes permite un tiempo menor de tránsito, gracias a la mayor velocidad que consigue y el trayecto más breve reduce el riesgo para los astronautas. La reducción del tiempo de estos viajes es un componente clave para las misiones tripuladas a Marte, los viajes largos requieren mayores suministros y sistemas de soporte vital más robustos para resistir el paso del tiempo; en contraparte, se obtiene el aumento de la capacidad de la carga útil científica y una mayor potencia eléctrica para la instrumentación y las comunicaciones.

El Simposio de exploración espacial von Braun, celebrado del 25 al 27 de octubre de 2023 en Huntsville, Alabama, bajo el tema “Advancing Space: from LEO to Lunar and Beyond” presentó un programa diverso que cubrió cuestiones comerciales, políticas y de comunicación estratégica, el espectro de actividades LEO, cislunares y lunares hasta llegar a Marte, la comercialización del espacio y la importancia económica de la propulsión nuclear en el espacio, que tiene el potencial de proporcionar un rendimiento aún mayor y permitir un acceso robusto y duradero a todo el sistema solar. 

En el simposio se destacó que la energía nuclear tiene la capacidad de proporcionar altos niveles de potencia durante largos períodos de tiempo, a diferencia de la energía solar, que no puede sostener el tipo de propulsión que se necesita más allá de Marte. De esta forma, la relevancia de la propulsión nuclear inicia tanto en la Tierra como en el espacio cislunar.

La colaboración NASA-DARPA, con el programa DRACO, deja en claro que el fundamento tecno económico de la NASA es la propulsión nuclear que permita que las misiones interplanetarias tripuladas reduzcan los tiempos de tránsito y la exposición humana a los peligros espaciales (radiación, microgravedad, confinamiento prolongado), aumentar la solidez del programa de vuelos, con ventanas de lanzamiento más amplias y más oportunidades de aborto. Las misiones científicas de próxima generación que utilizan propulsión nuclear maximizarán la carga útil y permitirán más ciencia en el destino (la Luna y/o Marte). 

Con los tiempos de tránsito reducidos a más de la mitad, además de una mayor capacidad de propulsión y energía para explorar más o recopilar más datos, se espera que la NASA alcance anticipadamente sus objetivos en el programa Artemis.

El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA, está apoyando a varias empresas en la búsqueda de avances en el desarrollo de propulsión eléctrica nuclear, con especial atención en la generación y conversión de energía, para respaldar a DRACO. La propulsión nuclear espacial plantea desafíos a la ingeniería de soluciones de propulsión espacial tecno económicamente competitivas en el programa Artemis, que consiste en reconstruir los motores RS25 (utilizados anteriormente en el transbordador espacial) y la fabricación aditiva para reducir el tiempo del ciclo de producción del hardware. Al respecto, la empresa Blue Origin avanza en el diseño de su motor propulsor BE-4 para el cohete Vulcan, capaz de elevar cargas medias y pesadas. Por su parte, la Base Edwards de la Fuerza Aérea y la Fuerza Espacial (USSF) están activas en la investigación de la combustión por detonación giratoria.

La discusión sobre los desafíos en la maduración de la tecnología de propulsión nuclear y la integración de sistemas se centra en lograr resultados más rápidos en propulsión, validación de modelos y asociaciones con la NASA y la Fuerza Espacial, sin tomar atajos para abordar la seguridad. 

Los ingenieros del Space Launch System (SLS) y Blue Origin están implementando Value Stream Mapping (VSM) y mejorando los procesos de fabricación para lograr confiabilidad, rendimiento, flexibilidad y asequibilidad, promoviendo la competitividad económica del transporte espacial estadounidense. El Vulcan de Blue Origin, variante de lanzamiento del New Glenn, que tiene dos motores en la primera etapa, también está diseñado para reutilizar motores del mismo diseño. Las ventajas son evidentes, sólo es cuestión de tiempo para que la NASA y las empresas espaciales de la Nueva Carrera Espacial (NCE), incluida SpaceX, que apoyan su objetivo de instalar bases en la Luna y Marte den el salto progresivo hacia esas icónicas metas.

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