Una nueva era de exploración espacial detrás de los motores de cohetes de fusión

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

La NASA y Elon Musk sueñan con Marte, y las misiones tripuladas en el espacio profundo pronto se convertirán en una realidad. Probablemente se sorprenda, pero los cohetes modernos vuelan un poco más rápido que los cohetes del pasado.

Las naves espaciales rápidas son más convenientes por una variedad de razones, y la mejor manera de acelerar es a través de cohetes de propulsión nuclear. Tienen muchas ventajas sobre los cohetes de combustible convencional o los modernos cohetes eléctricos de energía solar, pero en los últimos 40 años, Estados Unidos ha lanzado solo ocho cohetes de propulsión nuclear.

Sin embargo, el año pasado, las leyes relativas a los viajes espaciales nucleares cambiaron y ya se ha comenzado a trabajar en la próxima generación de cohetes.

¿Por qué se necesita velocidad?

En la primera etapa de cualquier vuelo al espacio, se necesita un vehículo de lanzamiento: lleva la nave a la órbita. Estos grandes motores funcionan con combustibles y, por lo general, cuando se trata de lanzar cohetes, están destinados. No irán a ninguna parte en el corto plazo, al igual que la fuerza de gravedad.

Pero cuando la nave entra en el espacio, las cosas se ponen más interesantes. Para superar la gravedad de la Tierra e ir al espacio profundo, la nave necesita una aceleración adicional. Aquí es donde entran en juego los sistemas nucleares. Si los astronautas quieren explorar algo más allá de la Luna o incluso más de Marte, tendrán que darse prisa. El cosmos es enorme y las distancias bastante grandes.

Hay dos razones por las que los cohetes rápidos son más adecuados para viajes espaciales de larga distancia: seguridad y tiempo.

De camino a Marte, los astronautas se enfrentan a niveles muy altos de radiación, plagados de graves problemas de salud, como cáncer e infertilidad. El blindaje contra la radiación puede ayudar, pero es extremadamente pesado y cuanto más larga sea la misión, se necesitará un blindaje más poderoso. Por lo tanto, la mejor manera de reducir la dosis de radiación es simplemente llegar más rápido a su destino.

Pero la seguridad de la tripulación no es el único beneficio. Cuantos más vuelos distantes planeemos, antes necesitaremos datos de misiones no tripuladas. La Voyager 2 tardó 12 años en llegar a Neptuno y, mientras pasaba volando, tomó algunas fotografías increíbles. Si la Voyager tuviera un motor más potente, estas fotografías y datos habrían aparecido en los astrónomos mucho antes.

Entonces la velocidad es una ventaja. Pero, ¿por qué los sistemas nucleares son más rápidos?

Los sistemas de hoy

Una vez superada la fuerza de gravedad, el barco debe considerar tres aspectos importantes.

Empuje- qué aceleración recibirá la nave.

Eficiencia de peso- cuánto empuje puede producir el sistema para una determinada cantidad de combustible.

Consumo energético específico- cuánta energía emite una determinada cantidad de combustible.

Hoy en día, los motores químicos más comunes son los cohetes convencionales que funcionan con combustible y los cohetes eléctricos que funcionan con energía solar.

Los sistemas de propulsión química proporcionan mucho empuje, pero no son particularmente eficientes, y el combustible para cohetes no consume mucha energía. El cohete Saturno 5 que llevó a los astronautas a la luna entregó 35 millones de newtons de fuerza en el despegue y transportó 950,000 galones (4,318,787 litros) de combustible. La mayor parte se destinó a poner el cohete en órbita, por lo que las limitaciones son obvias: vayas donde vayas, necesitas mucho combustible pesado.

Los sistemas de propulsión eléctrica generan empuje utilizando electricidad de paneles solares. La forma más común de lograr esto es utilizar un campo eléctrico para acelerar los iones, por ejemplo, como en un propulsor de inducción Hall. Estos dispositivos se utilizan para alimentar satélites y su eficiencia de peso es cinco veces mayor que la de los sistemas químicos. Pero al mismo tiempo dan mucho menos empuje, alrededor de 3 newtons. Esto solo es suficiente para acelerar el automóvil de 0 a 100 kilómetros por hora en aproximadamente dos horas y media. El sol es esencialmente una fuente inagotable de energía, pero cuanto más se aleja el barco de él, menos útil resulta.

Una de las razones por las que los misiles nucleares son particularmente prometedores es su increíble intensidad energética. El combustible de uranio utilizado en los reactores nucleares tiene un contenido de energía 4 millones de veces mayor que el de la hidracina, un combustible químico típico para cohetes. Y es mucho más fácil llevar algo de uranio al espacio que cientos de miles de galones de combustible.

¿Qué pasa con la tracción y la eficiencia del peso?

Dos opciones nucleares

Para los viajes espaciales, los ingenieros han desarrollado dos tipos principales de sistemas nucleares.

El primero es un motor termonuclear. Estos sistemas son muy potentes y muy eficientes. Usan un pequeño reactor de fisión nuclear, como los de los submarinos nucleares, para calentar un gas (como el hidrógeno). Luego, este gas se acelera a través de la boquilla del cohete para proporcionar empuje. Los ingenieros de la NASA han calculado que un viaje a Marte utilizando un motor termonuclear será un 20-25% más rápido que un cohete con un motor químico.

Los motores de fusión son más del doble de eficientes que los químicos. Esto significa que ofrecen el doble de empuje con la misma cantidad de combustible: hasta 100.000 Newtons de empuje. Esto es suficiente para acelerar el automóvil a una velocidad de 100 kilómetros por hora en aproximadamente un cuarto de segundo.

El segundo sistema es un motor de cohete eléctrico nuclear (NEPE). Ninguno de estos se ha creado todavía, pero la idea es utilizar un potente reactor de fisión para generar electricidad, que luego alimentará un sistema de propulsión eléctrica como un motor Hall. Eso sería muy efectivo, aproximadamente tres veces más eficiente que un motor de fusión. Dado que la potencia de un reactor nuclear es enorme, varios motores eléctricos separados pueden funcionar al mismo tiempo y el empuje resultará sólido.

Los motores de cohetes nucleares son quizás la mejor opción para misiones de largo alcance: no requieren energía solar, son muy eficientes y proporcionan un empuje relativamente alto. Pero a pesar de su naturaleza prometedora, el sistema de propulsión de energía nuclear todavía tiene muchos problemas técnicos que deberán resolverse antes de ponerse en funcionamiento.

¿Por qué todavía no hay misiles de propulsión nuclear?

Los motores termonucleares se han estudiado desde la década de 1960, pero aún no han volado al espacio.

Según el estatuto de la década de 1970, cada proyecto espacial nuclear se consideró por separado y no podría ir más allá sin la aprobación de varias agencias gubernamentales y el propio presidente. Junto con la falta de financiación para la investigación de sistemas de misiles nucleares, esto ha obstaculizado el desarrollo de reactores nucleares para su uso en el espacio.

Pero todo eso cambió en agosto de 2019 cuando la administración Trump emitió un memorando presidencial. Si bien insiste en la máxima seguridad de los lanzamientos nucleares, la nueva directiva aún permite misiones nucleares con bajas cantidades de material radiactivo sin una complicada aprobación interinstitucional. La confirmación por parte de una agencia patrocinadora como la NASA de que la misión cumple con las recomendaciones de seguridad es suficiente. Las grandes misiones nucleares pasan por los mismos procedimientos que antes.

Junto con esta revisión de las reglas, la NASA recibió $ 100 millones del presupuesto de 2019 para el desarrollo de motores termonucleares. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa también está desarrollando un motor espacial termonuclear para operaciones de seguridad nacional más allá de la órbita de la Tierra.

Después de 60 años de estancamiento, es posible que un cohete nuclear vaya al espacio dentro de una década. Este increíble logro marcará el comienzo de una nueva era de exploración espacial. El hombre irá a Marte y los experimentos científicos conducirán a nuevos descubrimientos en todo el sistema solar y más allá.