Agencias de NoticiasCuanto más rápido se pueda enviar una tripulación a Marte, mejor, pero los sistemas de propulsión convencionales pueden no estar a la altura de la tarea.
La NASA tiene previsto enviar misiones tripuladas a Marte durante la próxima década, pero el viaje de 225 millones de kilómetros hasta el planeta rojo podría llevar varios meses o años.
Este tiempo de tránsito relativamente largo es resultado del uso del combustible químico tradicional para cohetes. Una tecnología alternativa a los cohetes de propulsión química que la agencia está desarrollando ahora se llama propulsión térmica nuclear, que utiliza fisión nuclear y podría algún día impulsar un cohete que haga el viaje en sólo la mitad del tiempo.
La fisión nuclear implica la recolección de la increíble cantidad de energía liberada cuando un átomo es dividido por un neutrón. Esta reacción se conoce como reacción de fisión. La tecnología de fisión está bien establecida en la generación de energía y en los submarinos de propulsión nuclear, y su aplicación para impulsar o impulsar un cohete podría algún día dar a la NASA una alternativa más rápida y poderosa a los cohetes de propulsión química.
La NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa están desarrollando conjuntamente la tecnología NTP. Planean desplegar y demostrar las capacidades de un sistema prototipo en el espacio en 2027, lo que potencialmente lo convertiría en uno de los primeros de su tipo en ser construido y operado por los EE. UU.
La propulsión térmica nuclear también podría algún día impulsar plataformas espaciales maniobrables que protegerían satélites estadounidenses dentro y más allá de la órbita de la Tierra. Pero la tecnología aún está en desarrollo.
Soy profesor asociado de ingeniería nuclear en el Instituto de Tecnología de Georgia, cuyo grupo de investigación construye modelos y simulaciones para mejorar y optimizar los diseños de sistemas de propulsión térmica nuclear. Mi esperanza y pasión es ayudar a diseñar el motor de propulsión térmica nuclear que llevará una misión tripulada a Marte.
Propulsión Nuclear vs Propulsión Química
Los sistemas de propulsión química convencionales utilizan una reacción química que involucra un propulsor ligero, como hidrógeno, y un oxidante. Cuando se mezclan, estos dos se encienden, lo que hace que el propulsor salga de la boquilla muy rápidamente para propulsar el cohete.
Estos sistemas no requieren ningún tipo de sistema de ignición, por lo que son confiables. Pero estos cohetes deben llevar oxígeno con ellos al espacio, lo que puede hacerlos más pesados. A diferencia de los sistemas de propulsión química, los sistemas de propulsión térmica nuclear se basan en reacciones de fisión nuclear para calentar el propulsor que luego se expulsa por la boquilla para crear la fuerza motriz o empuje.
En muchas reacciones de fisión, los investigadores envían un neutrón hacia un isótopo más ligero del uranio, el uranio-235. El uranio absorbe el neutrón, creando uranio-236. El uranio-236 luego se divide en dos fragmentos (los productos de fisión) y la reacción emite algunas partículas variadas.
En la actualidad, en todo el mundo hay más de 400 reactores nucleares que utilizan tecnología de fisión nuclear. La mayoría de ellos son reactores de agua ligera. Estos reactores de fisión utilizan agua para ralentizar los neutrones y absorber y transferir calor. El agua puede crear vapor directamente en el núcleo o en un generador de vapor, que impulsa una turbina para producir electricidad.
Los sistemas de propulsión térmica nuclear funcionan de forma similar, pero utilizan un combustible nuclear diferente que tiene más uranio-235. También funcionan a una temperatura mucho más alta, lo que los hace extremadamente potentes y compactos. Los sistemas de propulsión térmica nuclear tienen una densidad de potencia aproximadamente diez veces mayor que un reactor de agua ligera tradicional.
La propulsión nuclear podría tener una ventaja sobre la propulsión química por varias razones.
La propulsión nuclear expulsaría el propulsor de la tobera del motor muy rápidamente, generando un gran empuje. Este gran empuje permite que el cohete acelere más rápido.
Estos sistemas también tienen un impulso específico alto. El impulso específico mide la eficiencia con la que se utiliza el propulsor para generar empuje. Los sistemas de propulsión térmica nuclear tienen aproximadamente el doble de impulso específico que los cohetes químicos, lo que significa que podrían reducir el tiempo de viaje en un factor de 2.
Historia de la propulsión térmica nuclear
Durante décadas, el gobierno de Estados Unidos ha financiado el desarrollo de la tecnología de propulsión térmica nuclear. Entre 1955 y 1973, los programas de la NASA, General Electric y los Laboratorios Nacionales Argonne produjeron y probaron en tierra 20 motores de propulsión térmica nuclear.
Pero estos diseños anteriores a 1973 dependían de combustible de uranio altamente enriquecido. Este combustible ya no se utiliza debido a sus peligros de proliferación, o peligros que tienen que ver con la propagación de material y tecnología nucleares.
La Iniciativa de Reducción de Amenazas Globales, lanzada por el Departamento de Energía y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, tiene como objetivo convertir muchos de los reactores de investigación que emplean combustible de uranio altamente enriquecido en combustible de uranio de alto enriquecimiento y bajo enriquecimiento, o HALEU.
El combustible de uranio de alto enriquecimiento y bajo enriquecimiento tiene menos material capaz de experimentar una reacción de fisión, en comparación con el combustible de uranio altamente enriquecido. Por lo tanto, los cohetes necesitan tener más combustible HALEU cargado, lo que hace que el motor sea más pesado. Para resolver este problema, los investigadores están buscando materiales especiales que utilicen el combustible de manera más eficiente en estos reactores.
El programa DRACO (Cohete de demostración para operaciones cislunares ágiles) de la NASA y la DARPA pretende utilizar este combustible de uranio de alto enriquecimiento y bajo enriquecimiento en su motor de propulsión térmica nuclear. El programa planea lanzar su cohete en 2027.
Como parte del programa DRACO, la empresa aeroespacial Lockheed Martin se ha asociado con BWX Technologies para desarrollar los diseños del reactor y el combustible.
Los motores de propulsión térmica nuclear que están desarrollando estos grupos deberán cumplir con estándares específicos de rendimiento y seguridad. Necesitarán tener un núcleo que pueda funcionar durante la duración de la misión y realizar las maniobras necesarias para un viaje rápido a Marte.
Idealmente, el motor debería ser capaz de producir un alto impulso específico, al mismo tiempo que satisface los requisitos de alto empuje y baja masa del motor.
Investigación en curso
Antes de que los ingenieros puedan diseñar un motor que satisfaga todos estos estándares, necesitan comenzar con modelos y simulaciones. Estos modelos ayudan a los investigadores, como los de mi grupo, a entender cómo se comportaría el motor al encenderse y apagarse. Se trata de operaciones que requieren cambios rápidos y masivos de temperatura y presión.
El motor de propulsión térmica nuclear será diferente de todos los sistemas de energía de fisión existentes, por lo que los ingenieros tendrán que crear herramientas de software que funcionen con este nuevo motor.
Mi grupo diseña y analiza reactores de propulsión térmica nuclear utilizando modelos. Modelamos estos complejos sistemas de reactores para ver cómo pueden afectar factores como los cambios de temperatura al reactor y a la seguridad del cohete. Pero simular estos efectos puede requerir una gran cantidad de potencia informática costosa.
Hemos estado trabajando para desarrollar nuevas herramientas computacionales que modelen cómo actúan estos reactores mientras se ponen en marcha y funcionan sin utilizar tanta potencia computacional.
Mis colegas y yo esperamos que esta investigación pueda algún día ayudar a desarrollar modelos que puedan controlar de forma autónoma el cohete.
Dan Kotlyar, Profesor Asociado de Ingeniería Nuclear y Radiológica, Instituto de Tecnología de Georgia.
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Rafael Oseguera
Elias Marin
Enigma 900
