El 26 de marzo de 2019, el vicepresidente de Estados Unidos, Mike Pence, dejó claro en su discurso ante el Consejo Nacional Espacial (NSC): “A medida que continuamos explorando las profundidades del sistema solar, "necesitamos soluciones innovadoras". métodos de propulsión, incluido el uso de energía nuclear."
El lugar lleno de ingenieros de la NASA estalló en estruendosos aplausos por este discurso. ¡Todos entendieron el mensaje, que en pocas palabras era desarrollar cohetes de propulsión nuclear para enviar humanos a Marte!
De hecho, esto no es repentino: hace unos años, tanto los informes de la NASA como las investigaciones y presentaciones en conferencias estaban llenos de pistas sobre la energía nuclear.
El administrador de la NASA, Jim Bridenstine, habla a menudo sobre este tema y nunca oculta su entusiasmo. No sólo eso, el Congreso de los Estados Unidos también ha comenzado a proporcionar financiación para la investigación y el desarrollo de esta tecnología: el importe de los créditos sólo en 2020 asciende a nada menos que 125 millones de dólares. Sin duda, actualmente hay más de una docena de laboratorios y empresas que se dedican silenciosamente a investigaciones relacionadas.
"No hay duda: Estados Unidos espera desarrollar un prototipo de cohete de propulsión nuclear dentro de unos años." Stéphane Aurel, jefe de investigación sobre propulsión líquida del Centro Francés de Investigaciones Espaciales (CNES) Oriol) dijo.
¿Un vehículo de lanzamiento atómico? Tenga en cuenta que este no es un pequeño generador de energía isotópica con una potencia de aproximadamente 100 vatios utilizado por las máquinas Voyager, Cassini-Huygens, Curiosity, Mars 2020 y otras sondas que han ingresado al espacio; esos dispositivos solo pueden obtener una pequeña cantidad de energía. energía del calor generado por la desintegración del plutonio-238.
¡Esta vez, la NASA está claramente considerando usar un reactor nuclear real para fisionar el bloque de combustible de uranio-235 que contiene, provocando una reacción en cadena y produciendo alrededor de 500 millones de vatios de energía térmica! Inmediatamente, el hidrógeno líquido en un ambiente tan caliente (la temperatura es cercana a los 3000 grados) se expulsa rápidamente después de la vaporización y expansión, formando un empuje a través de la reacción.
Quizás a los ojos de la gente, utilizar una tecnología que ha enfrentado una oposición masiva en los vehículos de lanzamiento espacial se parezca más a una escena de una mala película de ciencia ficción u otra provocación del gobierno de Estados Unidos. Después de todo, todo el mundo es consciente de los riesgos asociados con el lanzamiento de un dispositivo radiactivo de este tipo al espacio.
Sin embargo, para los diseñadores de misiones tripuladas de larga distancia en las próximas décadas, el atractivo de esta tecnología tan difamada es enorme, incluso abrumador. Todos los cálculos coinciden en que un reactor nuclear puede producir un empuje de hasta 100.000 Newtons, dos veces más eficiente que la actual propulsión química, que se consigue mediante la explosión de hidrógeno y oxígeno.
En una industria que persigue el peso ligero y la alta velocidad, las ventajas de la energía nuclear quedan claras a simple vista: el mismo empuje, la mitad de consumo de combustible y la velocidad final es el doble.
De hecho, la energía nuclear es una forma de energía altamente concentrada: la energía producida por la fisión de 1 kilogramo de uranio-235 equivale a la energía producida al quemar 2,7 millones de toneladas de carbón. Utilizando la tecnología de fisión nuclear, en lugar de transportar decenas de toneladas de oxígeno para su combustión, sólo es necesario transportar hidrógeno, el elemento más ligero del universo, y luego expulsarlo.
“Es mucho más fácil acelerar el hidrógeno en la salida de la tubería que acelerar las moléculas de agua más grandes producidas por la combustión de motores químicos, por lo que el primero es más eficiente”, señaló Stefan Orrell.
Otros medios de avance también son difíciles de igualar. Es cierto que la eficiencia de la propulsión eléctrica de los motores de iones es superior a la de la energía nuclear, pero "el empuje generado por los primeros es muy débil, sólo una fracción de Newton, por lo que se necesita mucho tiempo para alcanzar la velocidad requerida". para realizar misiones de larga distancia y no es adecuado para misiones tripuladas", enfatizó William Emrich, ingeniero de propulsión del Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) de la NASA. Asimismo, las velas solares tampoco funcionan.
Con una masa ligera, una alta eficiencia y un gran empuje, el uso de la energía atómica puede reducir en gran medida la dificultad de los viajes tripulados a Marte.
En la actualidad, el transporte de materiales es una pesadilla para las misiones basadas en diseños de propulsión química y se puede calificar de desafío imposible:
Los ingenieros solo pueden enviar hasta 500 toneladas de materiales y combustible a la órbita terrestre para mantenerla. la integridad de la nave espacial también tienen que considerar la orientación del planeta, que es una ventana corta (que dura 3 o 4 semanas) que solo ocurre cada 26 meses; para esperar la mejor orientación, los astronautas pueden tener que hacerlo; atrapado en Marte durante casi un año y medio; además, se necesita mucho tiempo para llegar a Marte, al menos 6 meses, lo que provocará que los astronautas, torturados por la microgravedad, los rayos cósmicos y la extrema soledad, se enfrenten a graves problemas físicos y psicológicos; problemas.
"La propulsión química puede enviar a los humanos a la órbita de la Tierra o a la Luna, o incluso a Marte, pero no es realista viajar de ida y vuelta entre la Tierra y Marte.", concluyó William Enrich.
El uso de energía nuclear puede reducir el peso del combustible de las naves espaciales y alcanzar velocidades más rápidas. Según las simulaciones preliminares de la NASA, en comparación con el uso de propulsión química, el tiempo de viaje de la Tierra a Marte se puede acortar entre 20 y 50 veces, lo que hace que los lanzamientos sean más flexibles. "Incluso si la posición relativa entre los dos planetas no es ideal, los ingenieros pueden implementarlo. lanzamientos." , lo que amplía la ventana de lanzamiento, y también pueden explorar rutas que no son posibles con propulsión química y propulsión eléctrica”, señaló Stefan Orrell.
Ante esto, la NASA planea utilizar la energía atómica para llevar a cabo misiones de lanzamiento durante la "oposición a Marte" (cuando Marte y la Tierra están alineados en línea recta en el mismo lado del sol) para evitar que los astronautas queden varados en Marte durante mucho tiempo. Esta medida puede acortar la duración total de la misión de más de 900 días a 500 días, dejando tiempo suficiente para la exploración de Marte y reduciendo los riesgos que enfrentan los astronautas.
Es más, si se encuentra un problema grave al equipar un motor nuclear, las personas tienen la oportunidad de finalizar la misión inmediatamente y regresar a la Tierra dentro de los tres meses posteriores al inicio del vuelo, o incluso inmediatamente después de llegar al Marte. Si se utiliza un propulsor químico, una vez que entra en la órbita de transferencia de fuego de la Tierra, el cohete sólo puede utilizar un período de ventana de unas pocas horas, o como máximo unos pocos días, para regresar a la Tierra. No se puede subestimar la importancia de estas garantías de seguridad para los ingenieros.
La tecnología de propulsión nuclear también tiene la última baza: en realidad es una "vieja amiga" de los ingenieros de la NASA. De hecho, de 1955 a 1973, la agencia compiló un programa completo de investigación sobre este tema.
Los equipos relevantes han construido y probado más de 20 reactores, dominado las deficiencias de diversos materiales y eliminado muchos obstáculos para la investigación en este campo. Incluso realizaron pruebas en profundidad de múltiples prototipos en el desierto de Nevada.
Más tarde, el proyecto fue abandonado, pero esto no fue por razones técnicas sino porque Estados Unidos comenzó a centrarse en la investigación de los transbordadores espaciales.
Ahora, "podemos utilizar los datos recopilados por este proyecto, que es realmente una mina de oro", afirmó Dale Thomas, profesor de ingeniería de sistemas en la Universidad de Alabama. Sin embargo, la seguridad del lanzamiento, la resistencia del material y la prevención de daños por radiación son cuestiones que deben resolverse. Además, como ocurre con otros reactores nucleares, también es necesario tener en cuenta posibles caídas de temperatura y reacciones descontroladas. Por supuesto, en teoría nada es insuperable.
En la oficina del ingeniero, el proyecto del reactor espacial ha sido puesto nuevamente sobre la mesa. Además de la NASA, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA) también ha lanzado recientemente un proyecto de propulsión nuclear destinado a controlar mejor el espacio cislunar e incluso se espera que el prototipo se lance en 2025; "Rusia y China también están estudiando esta tecnología", destacó Stefan Orrell.
Proporcionar propulsión directa no es la única opción: algunas naves espaciales pueden alimentar propulsores de iones mediante reactores nucleares. Esta tecnología híbrida tardará en comenzar, pero será extremadamente eficiente, ya que permitirá enviar grandes cantidades de carga a Marte o la Luna a una fracción del costo. También puede enviar fácilmente más de una docena de toneladas de materiales científicos y tecnológicos a los satélites de Júpiter o Saturno, o participar en el desarrollo de los recursos espaciales.
“De hecho, los humanos no pueden utilizar la propulsión química para alcanzar el espacio más allá del 90% del sistema solar en un plazo de tiempo razonable, y a medida que la nave espacial se aleje gradualmente del sol, la intensidad de la radiación se irá debilitando. y más débiles, por lo que no se puede llegar a estos lugares con la tecnología de células solares”, analizó Stefan Orrell. “Han surgido temas relacionados con la territorialización de planetas, planetoides y asteroides, y la solución del problema del transporte de materiales más allá de la Tierra e incluso de Marte se ha convertido en un problema. Es una verdadera cuestión estratégica, y la energía nuclear parece ser un medio necesario para llegar a las profundidades del sistema solar. "Incluso ahora, la energía nuclear se considera una fuente de energía esencial para Marte o las bases lunares.
Con el tiempo la gente lo entenderá: los ingenieros espaciales ahora han sido conquistados por el encanto de la energía nuclear. Desde una perspectiva puramente técnica, la importancia de adoptar este enfoque es obvia.
De hecho, no hay ningún problema con ello a nivel legal: el Tratado sobre el Espacio Ultraterrestre sólo prohíbe poner en órbita armas nucleares u otros cuerpos celestes. Pero ¿cómo convencer a la gente de que la investigación funcionará? ¿Cómo ignorar el miedo abrumador de la gente que se encuentra alrededor del lugar de lanzamiento y debajo de la trayectoria de vuelo de la nave espacial de propulsión nuclear? "Hay muchos argumentos a favor del uso de la energía nuclear, pero los métodos de emisión radiactiva son un tema muy delicado", admitió Francis Rocard, jefe del proyecto de exploración del sistema solar del CNES.
En la comunidad de ingeniería aeronáutica, el fallo de los reactores nucleares que alimentaron los satélites soviéticos entre los años 1970 y 1980 dejó amargos recuerdos para el mundo: el 24 de enero de 1978, el satélite de propulsión nuclear Kosmos 954 se estrelló; En el norte de Canadá, se han tomado un gran número de medidas correctivas para eliminar la contaminación resultante. Además, la sonda Cassini-Huygens, que estaba equipada con un pequeño generador de plutonio, también enfrentó numerosas protestas antes de su lanzamiento en 1997.
En vista de las preocupaciones anteriores, la NASA planea no encender el reactor durante el lanzamiento, sino esperar hasta que la nave espacial alcance una órbita suficientemente alta (más de 1.000 kilómetros sobre el nivel del mar) y estable antes de encenderlo para proteger a la multitud. En 1992, las Naciones Unidas también votaron a favor de adoptar una resolución que prohibía cualquier forma de fisión nuclear durante el despegue.
Además, la NASA no devolverá cohetes radiactivos a la Tierra: el módulo de propulsión entrará en una órbita "cementerio" y los astronautas utilizarán la cabina para regresar a la Tierra como si regresaran de la Estación Espacial Internacional.
También se tomarán varias precauciones al realizar pruebas en tierra. Esta ya no es la experimentación libre de la década de 1960, cuando se liberaba descuidadamente a la atmósfera gas hidrógeno que podía estar contaminado con partículas de combustible radiactivo. Los ingenieros de la NASA están trabajando en el desarrollo de un dispositivo de recuperación de polvo tóxico y están considerando utilizarlo en el banco de pruebas A-3 de la NASA en Mississippi.
Para calmar la controversia, "la NASA también ha considerado realizar investigaciones basadas en los resultados del modelado informático del reactor como si fueran pruebas nucleares", explicó Dale Thomas. Además, los diseñadores del primer lote de pruebas de vuelos no tripulados también se centrarán en la planificación de rutas para evitar colisiones posteriores con la Tierra.
Entonces, ¿son suficientes estas precauciones? "La tecnología nuclear abre nuevas áreas de vuelo, pero no creo que la gente pueda aceptarla, sin importar las precauciones que se tomen." Stephanie Liz-Ditrez, profesora asociada de ingeniería de sistemas aeroespaciales en la Escuela Nacional Francesa de Aeronáutica y Astronáutica (ISAE). ) (Stéphanie Lizy-Destrez) dijo con franqueza: "Cuando hablé con el director del Centro Espacial de Guayana sobre esto, me dijeron que todavía es un tabú porque no quieren provocar manifestaciones alrededor del lugar de lanzamiento".
Ya sea en el laboratorio o en la percepción pública, el destino de la tecnología atómica espacial puede marcar el comienzo de un progreso importante. "El momento crítico de la decisión de enviar seres humanos y materiales a Marte está llegando", destacó Francis Rocard. "Para implementar la primera misión tripulada de sobrevuelo a Marte sin aterrizaje, los estadounidenses deberían hacer una transición entre la propulsión nuclear y la propulsión química lo antes posible. . Tome una decisión." Para ello, la Academia Nacional de Ciencias (NAS) ha comenzado a consultar a expertos. "No puedo esperar a ver qué tecnología terminan recomendando en el informe", murmuró Dale Thomas.
¿Deberíamos atenernos a la tradicional y tranquilizadora tecnología de propulsión química o ceder a la tentación de la tecnología de propulsión nuclear? Es hora de elegir.
Escrito por Vincent Nouyrigat
Compilado por Wang Jun