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- NASA acaba de encargar a Lockheed Martin la tarea de desarrollar y probar un motor de propulsión termonuclear en un plazo de cuatro años.
- Esta innovadora tecnología promete acortar de manera sustancial el tiempo de viaje hacia Marte.
- ¿Será la tecnología nuclear el futuro de los viajes espaciales?
La NASA de Estados Unidos tiene el ambicioso plan de enviar una misión tripulada a Marte en la próxima década. Esta será una empresa desafiante y de larga duración que requerirá el desarrollo de nuevas tecnologías. Para acortar el tiempo de viaje al Planeta Rojo, la NASA acaba de encomendar a Lockheed Martin el desarrollo de un motor de propulsión termonuclear y probarlo en el espacio. Este proyecto recibió el nombre de DRACO y en caso de ser exitoso, los nuevos motores permitirán viajes espaciales más rápidos y el transporte de cargas mayores en comparación con los motores químicos convencionales. No obstante, surge una cuestión esencial: ¿Son los motores de propulsión termonuclear una solución viable y segura para el futuro de los viajes espaciales?
Al planificar una misión a Marte, los científicos deben tener en cuenta varios factores. Incluso cuando la Tierra y Marte están alineados, lo que sucede solo cada 26 meses, tal viaje dura aproximadamente siete meses. Esto implica que los futuros astronautas requerirán cerca de un año y medio para completar el viaje de ida y vuelta, incluida la estancia en este planeta. Además de los desafíos técnicos y psicológicos inherentes, el viaje también conllevará un riesgo significativo para la salud debido a la exposición a los rayos cósmicos que afectan al cuerpo humano de manera similar a la emisión radioactiva.
Con el fin de mitigar los riesgos asociados con los viajes interplanetarios, las principales agencias espaciales están explorando maneras para reducir su duración. La NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa (DARPA) de EE. UU. están colaborando en el desarrollo de cohetes propulsados por motores termonucleares. Ambas agencias se han propuesto la ambiciosa tarea de probar tal motor basado para 2027. En 2021, otorgaron fondos a tres empresas, General Atomics, Lockheed Martin y Blue Origin, para elaborar los planes necesarios. Este año, Lockheed Martin fue seleccionado para construir un prototipo que se probará en el espacio. El proyecto se llama «Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations» o DRACO, y ambas agencias han asignado 499 millones de dólares para su desarrollo.
Para comprender la necesidad de motores de propulsión termonuclear, primero debemos familiarizarnos con cómo funcionan los motores de cohetes químicos convencionales y cuáles son sus limitaciones. Estos motores utilizan combustible, que suele ser líquido o sólido, junto con un oxidante que permite la iniciación de una reacción química en el motor, generando productos de reacción, incluyendo diversos gases. Cuando la temperatura de estos gases se eleva rápidamente a más de 3,000 grados centígrados, la presión en la cámara de combustión del motor aumenta, lo que impulsa los gases a través de la tobera del motor a una velocidad de aproximadamente 4.5 km/s. Según la tercera ley de Newton, esto genera una fuerza de empuje que impulsa el cohete en la dirección opuesta.
Actualmente, los motores principales de la mayoría de los cohetes grandes, como la planeada Ariane 6 y Space Launch System (SLS), operan utilizando hidrógeno líquido (almacenado a -253 °C) y oxígeno líquido (-180 °C) como oxidante. Cuando se encienden, se genera vapor de agua y se libera una gran cantidad de energía. Además del motor principal, ambos cohetes cuentan con dos a cuatro «boosters» o aceleradores que utilizan aluminio como combustible y perclorato de aluminio como oxidante.
Los costos asociados al lanzamiento de una carga útil en órbita alrededor de la Tierra o hacia otros cuerpos celestes son exorbitantes. Por ejemplo, la versión más grande de Ariane 6 pesará aproximadamente 860 toneladas, de las cuales 705 toneladas serán combustible. La capacidad de la carga útil que podrá llevar este cohete a la órbita terrestre variará entre 11.5 y 21.5 toneladas, y el costo de cada lanzamiento será de 115 millones de euros. Por otro lado, el SLS pesa 2,610 toneladas al despegar y puede llevar 27 toneladas de carga a la Luna, con un costo aproximado de 2.2 mil millones de dólares. La masa de la carga útil entonces representa poco más del uno por ciento de la masa inicial del SLS.
Quizás el proyecto más extenso que las agencias espaciales hayan emprendido en el pasado es la construcción de la Estación Espacial Internacional, con una masa total de 450 toneladas. Para llevar esta enorme cantidad de carga a la órbita, se requirieron casi cuarenta lanzamientos en un período de aproximadamente diez años. Si contemplamos la perspectiva de establecer una base en la Luna o Marte en el futuro, se requerirá una carga útil de entre dos y diez mayor. Si no logramos desarrollar cohetes considerablemente más eficientes que el SLS, se requerirán 40 lanzamientos solo para llevar a la órbita el combustible requerido para un viaje a Marte, lo que costará casi 90 mil millones de dólares. Por lo tanto, no es sorprendente que las agencias espaciales estén buscando formas de poner en órbita la máxima carga útil con un solo lanzamiento y a un costo más bajo.
En la actualidad, la NASA está depositando sus esperanzas en los motores de propulsión termonuclear. El principio de su funcionamiento se conoce desde hace mucho tiempo. En la década de 1950, tales motores estaban siendo investigados por el Departamento de Defensa de EE. UU. La Fuerza Aérea de EE. UU. encabezó el proyecto Rover, cuyo objetivo era construir un motor de propulsión termonuclear para cohetes balísticos intercontinentales. Debido a que los motores químicos resultaron más adecuados, la NASA asumió el proyecto y lo rebautizó como Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application o NERVA. Al mismo tiempo, el Departamento de Defensa de EE. UU. estaba llevando a cabo el proyecto SNAP, cuyo objetivo era impulsar misiones espaciales de larga duración con motores de propulsión termonuclear.
El primer motor de este tipo fue desarrollado en 1964 como parte del programa NERVA. En 1965, la NASA lanzó el único reactor nuclear que ha orbitado alrededor de nuestro planeta durante seis semanas como parte del programa SNAP. Ambos programas fueron abandonados durante la administración del presidente Nixon para centrarse en el proyecto del transbordador espacial (space shuttle).
Los motores de esa época funcionaban según el siguiente principio: en la cámara de combustión se situaba el núcleo de un reactor nuclear que contenía uranio enriquecido. Cuando se iniciaba una reacción en cadena en él , se liberaba una gran cantidad de energía, y se suministraba hidrógeno líquido a la cámara. Debido a que su temperatura rápidamente subía a más de 2,000 °C, se evaporaba, generando una presión altísima, lo cual hacía que se expandía a través de la tobera del reactor, generando un impulso. Se encontró que, a pesar de operar a temperaturas más bajas que los motores químicos, los motores de propulsión termonuclear eran mucho más eficientes y tenían una ventaja significativa: no requerían oxidante, por lo que sus emisiones consistían exclusivamente en moléculas de hidrógeno.
A pesar de la prometedora eficiencia de los motores de propulsión termonuclear, surgen algunas dudas. En el pasado, estos motores han empleado uranio enriquecido, con una concentración de uranio-235 radioactivo que variaba entre el 20% y el 90%. No es necesario resaltar las posibles implicaciones si un motor de este tipo sufriera una explosión durante el lanzamiento. Debido a preocupaciones de seguridad, solo el presidente de EE. UU. puede aprobar el lanzamiento de un cohete que transporta uranio enriquecido. Por lo tanto, la NASA y otras agencias están considerando el desarrollo de reactores que utilicen uranio con una concentración de uranio-235 inferior a los 20%.
Es natural preguntarse cuáles serán los verdaderos beneficios de los motores de propulsión termonuclear. Las estimaciones de cuánto tiempo podríamos ahorrar en el viaje de la Tierra a Marte con su uso varían considerablemente. Algunas fuentes mencionan que con estos motores, el viaje a Marte podría reducirse de siete meses a tan solo 45 días, mientras que otras hablan de tres a cuatro meses. Las estimaciones más pesimistas sugieren un ahorro del 20%, lo que equivale a 1.4 meses. La mayoría de los ingenieros se muestran reacios a especular sobre esto, ya que es necesario esperar el desarrollo y las pruebas de estos motores. Esta espera es un destino que lamentablemente los demás habitantes de la Tierra tenemos que compartir con los ingenieros mientras aguardamos con expectación los avances en esta emocionante tecnología.
Lecturas complementarias para los más curiosos
1. Rocket engine, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine
2. Ariane 6, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Ariane_6
3. Boosters (EAP), European Space Agency,
https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Launch_vehicles/Boosters_EAP
4. Ariane 6, CNES, https://ariane6.cnes.fr/en/technical-features
5. Vulcain (rocket engine), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcain_(rocket_engine)
6. P120 (rocket stage), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/P120_(rocket_stage)
7. NASA’s ‘Nuclear Option’ May Be Crucial for Getting Humans to Mars, Scientific American, https://www.scientificamerican.com/article/nasas-nuclear-option-may-be-crucial-for-getting-humans-to-mars/
8. By the numbers: The Space Launch System, NASA’s next Moon rocket, astronomy.com, https://www.astronomy.com/space-exploration/by-the-numbers-the-space-launch-system-nasas-next-moon-rocket/
9. Nuclear-Powered Rockets Get a Second Look for Travel to Mars. IEEE Spectrum. https://spectrum.ieee.org/nuclear-powered-rockets-get-a-second-look-for-travel-to-mars
10. Rocket Physics, the Hard Way: Nuclear Thermal Rockets. Mars Society. https://www.marssociety.ca/2021/04/08/nuclear-thermal-rockets/
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