La tecnología nuclear aplicada en la exploración espacial
La tecnología nuclear tiene destacadas aplicaciones en campos como el arte, la industria, la agricultura, la medicina y también en el espacio. Las misiones de exploración del espacio de la NASA (Administración Nacional de Estados Unidos para la Aeronáutica y el Espacio) requieren sistemas seguros, fiables y de larga vida que proporcionen electricidad y calor a las naves espaciales y su instrumentación científica. En este sentido, la energía nuclear cumple estos requisitos.
Por ejemplo, una de las principales aplicaciones de las baterías nucleares es la navegación espacial. Con la energía nuclear y sus tecnologías relacionadas, las misiones interplanetarias serán más rápidas, eficientes y económicas. Gracias a ello, la humanidad está cada vez más cerca de una nueva era de viajes espaciales a Marte, al sistema solar e incluso más allá.
Satélites y sondas
Se trata de alimentar la instrumentación de satélites terrestres y sondas planetarias con generadores algo más potentes, de manera que éstos puedan llegar a planetas próximos y transmitir información a la Tierra.
Los generadores isotópicos de electricidad son instrumentos que contienen un radionucleido encapsulado herméticamente cuyas radiaciones son absorbidas en las paredes de la cápsula. Ésta es el equivalente a una fuente de calor, ya que la cápsula transforma la energía de las radiaciones. A esta fuente se acopla un circuito eléctrico para generar una corriente eléctrica que alimenta los instrumentos.
La fuente será de larga duración si el periodo de semidesintegración del radisótopo es largo y los radionucleidos que se emplean son siempre emisores alfa, porque esta radiación se detiene en las primeras micras de las paredes de las etapas posteriores, por ejemplo para viajes a Marte, el proceso se cápsula (habitualmente, de acero inoxidable). Se usan, preferentemente, el plutonio-238 y el curio-244, que pueden proporcionar pequeñas potencias eléctricas durante muchos años.
La Agencia Espacial Europea estudia la sustitución del plutonio-238 por otro isótopo que genere electricidad para atender las necesidades de los equipos eléctricos y electrónicos de medida y transmisión de datos a la Tierra. Uno de los isótopos considerados es el americio-241, empleado comúnmente en los detectores contra incendios, también emisor alfa cuyo valor de desintegración es semejante al del plutonio-238, pero que tiene un período de semidesintegración de 432,2 años, por lo que podrá utilizarse para misiones más largas, aunque se requerirá una mayor cantidad para conseguir la misma energía.
Propulsión de naves espaciales
En el futuro previsible, las naves lanzadas al espacio seguirán dependiendo de los combustibles fósiles para su propulsión. No obstante, una vez en órbita, los motores nucleares podrían tomar el control y crear propulsión para acelerar la velocidad.
Los viajes no tripulados a planetas exteriores del sistema solar de la Tierra se han realizado mediante misiones provistas de equipos robóticos alimentados con la electricidad producida por el radioisótopo plutonio-238. Este isótopo tiene un período de semidesintegración de 87,74 años y una duración de actividad que, de forma práctica, puede atender las necesidades de las misiones espaciales durante varios siglos. El plutonio-238, que no es fisionable como otros isótopos del plutonio, tiene su origen en combustibles irradiados de uranio, acortaría y abarataría si las naves usaran propulsores nucleares, más eficaces que los actuales cohetes. Funcionarían transfiriendo el calor del reactor nuclear a un propulsor líquido, que se convertiría en gas y se expandiría para proporcionar empuje a la nave.
Existen dos tecnologías nucleares clave para la propulsión: con la propulsión termonuclear hay menor carga de combustible y un viaje a Marte sería más corto, y con la electronuclear, la eficiencia de combustible es mucho mayor y el viaje resultaría aún menor.
La propulsión termonuclear (NTP)
Consiste en utilizar un reactor de fisión nuclear para calentar un propulsante líquido, como el hidrógeno. El calor convierte el líquido en un gas que se expande a través de una boquilla para generar empuje y propulsar la nave espacial.
Una de sus ventajas principales es que los vuelos espaciales necesitarían cargar menos combustible, y los motores NTP harían el viaje más corto. Por ejemplo, un viaje a Marte se reduciría en un 25% en comparación con los cohetes químicos tradicionales. Además, un tiempo reducido en el espacio también reduce la exposición de los astronautas a la radiación cósmica.
La propulsión electronuclear (NEP)
El empuje se produce al convertir la energía térmica de un reactor nuclear en energía eléctrica. Con este tipo de tecnología el impulso es menor pero continuo, y la eficiencia de combustible es mucho mayor. La velocidad aumenta, con una reducción de más del 60% en el tiempo de tránsito a Marte en comparación con los cohetes químicos tradicionales.
La empresa de naves espaciales Ad Astra Rocket Company está construyendo un sistema NEP: el Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable (VASIMR por sus siglas en inglés). Se trata de una nave de plasma en la que los campos eléctricos calientan y aceleran un propelente para dar forma a un plasma. Cuando el plasma sale disparado del motor, unos campos magnéticos lo dirigen en la dirección correcta y se genera el impulso. El diseño VASIMR permitiría procesar grandes cantidades de energía a la vez que mantiene la alta eficiencia de combustible que caracteriza a las naves eléctricas.
Se prevé utilizar el motor VASIMR para una amplia gama de aplicaciones de alto nivel de energía, desde electricidad solar en el espacio cislunar hasta la electricidad nuclear en el espacio interplanetario. A más largo plazo, el VASIMR podría ser el precursor de las futuras naves de fusión, que aún están en fase conceptual.
Sistemas de potencia
Una tecnología ya probada que cumple con los objetivos de seguridad, fiabilidad y larga vida que se necesitan para suministrar electricidad y calor en múltiples misiones de exploración espacial son los Sistemas de Potencia basados en Radisótopos (Radioisotope Power Systems, RPS).
Uno de los modelos de esta categoría es el «Generador Termoeléctrico de Radisótopos» (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG), un sistema nuclear para el espacio que convierte calor en electricidad sin partes móviles.
Los RTG convierten calor procedente de la desintegración natural de isótopos radiactivos en electricidad. Constan de dos elementos principales: la fuente de calor que contiene el radisótopo (principalmente plutonio-238) y los termopares de estado sólido que convierten el calor de desintegración en electricidad.
La conversión de calor en electricidad es el principio de funcionamiento de los termopares y fue descubierta por el científico Thomas Johann Seebeck al observar que cuando dos materiales conductores diferentes se unen en un circuito cerrado y sus uniones se mantienen a temperaturas distintas, se produce una diferencia de potencial. A diferencia de los paneles solares, estos sistemas no dependen de la radiación solar, lo que los hace idóneos para misiones al espacio más lejano, atmósferas con insuficiente radiación solar o entornos que pueden dañar estos paneles.
La potencia de salida de los termopares es función de la temperatura de cada unión y de las propiedades de los materiales que las constituyen. Los termopares utilizados en los RTG usan calor procedente de la desintegración natural de isótopos radiactivos como el plutonio-238 para calentar el lado caliente de la unión del termopar, y el frío del espacio o la atmósfera de otros planetas para el lado frío.
El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha desarrollado para la NASA varias generaciones de estos sistemas que suministran electricidad y calor para un gran número de misiones de exploración espacial. El Generador Termoeléctrico de Radisótopos para Misiones Múltiples (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG) fue diseñado con la flexibilidad necesaria para funcionar tanto en planetas con atmósfera, como el de Marte, como en el vacío del espacio exterior. Es capaz de proporcionar una potencia eléctrica de 125 vatios (W) en su lanzamiento, adecuada para la mayoría de las necesidades con el alto nivel de seguridad requerido. Los elementos principales del MMRTG se pueden ver con distinto grado de detalle en la imagen.
Recibe su potencia de ocho «Fuentes de Calor de Desintegración para Uso General» (General Purpose Heat Source, GPHS) alimentadas con dióxido de plutonio-238. Inicialmente, estos ocho módulos producen 2 kW de potencia térmica, equivalente a 125 W de potencia eléctrica.
Los termopares o pares termoeléctricos del MMRTG están diseñados a base de unos compuestos denominados PbTe/TAGS, en los que PbTe se refiere a un compuesto de plomo y teluro que se obtiene de rocas denominadas halitas y TAGS es la abreviatura de un material que incorpora teluro (Te), plata (Ag), germanio (Ge) y antimonio (Sb).
El MMRTG está diseñado para producir 125 W de potencia eléctrica al principio de la misión, que decae a 100 W tras 14 años de servicio. En términos relativos, el peso de 45 kg del MMRTG se traduce en una favorable relación de 2,8 W/kg al comienzo de su vida operativa.
Está diseñado con múltiples niveles de seguridad, con el objetivo de evitar o minimizar el riesgo de pérdida o dispersión de su material nuclear en un amplio marco de hipotéticas condiciones de accidente.
Destacan la estructura cerámica de dióxido de plutonio que lo hace extremadamente resistente, una vaina de iridio que lo recubre, manguitos de grafito que incrementan aún más la protección del combustible y el material de fibra de carbono rugoso que configura la caja exterior de contención de las Fuentes de Calor GPHS situadas en el interior del MMRTG, como se ve en la imagen.
En su interior, el MMRTG contiene 4,8 kg de dióxido de plutonio-238, que inicialmente proporcionan unos 2 kW de potencia térmica, equivalentes a los 125 W de potencia eléctrica en condiciones ambientales del espacio exterior profundo.
Las dimensiones aproximadas del MMRTG son 64 cm de diámetro, medido entre aletas de evacuación de calor, por 66 cm de altura. Pesando aproximadamente 45 kg.
El módulo de Fuentes de Calor GPHS, idéntico al que alimenta al robot Perseverance, proporciona protección en la eventualidad de un impacto contra el suelo y en situaciones de reentrada en la atmósfera terrestre que pudieran acabar en un accidente.
En los tres casos, en los RPS funcionaron como estaba previsto en su diseño.
Naves de fusión
Las naves de fusión, como el reactor con Configuración de Campo Invertido (PFRC por sus siglas en inglés) que se desarrolla en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, podrían producir un impulso directo de fusión (DFD), que directamente convierte la energía de las partículas cargadas producidas en las reacciones de fusión en propulsión para la nave espacial.
Las posibilidades de la tecnología DFD abren la puerta al espacio interestelar, a las misiones humanas a Marte y a un suministro estable de energía para una futura base lunar, indican desde la empresa Princeton Satellite Systems. Otras ventajas son que tienen un tamaño reducido y que necesitan muy poco combustible. Con tan solo unos pocos kilos se puede impulsar una nave espacial durante diez años.
Energía para la superficie extraterrestre
Los reactores nucleares también podrían utilizarse para aportar una fuente fiable de energía de superficie para misiones de exploración prolongadas, lo que facilitaría la presencia humana sostenible en otros cuerpos planetarios. Los diseños de reactores de energía de superficie de fisión son microreactores que podrían suministrar energía eléctrica en un rango de decenas de kW durante décadas. El enfoque actual está en utilizar combustibles de uranio de bajo enriquecimiento o combustibles de uranio de uso pacífico con alto enriquecimiento.
En palabras del representante de la Cartera de Tecnología Nuclear Espacial de NASA, la prioridad de la Agencia está en “diseñar, construir y demostrar un sistema de energía de superficie de fisión de uranio de bajo enriquecimiento con una amplia gama de aplicaciones para la superficie de la Luna y para una futura misión a Marte con humanos, escalable a niveles de energía por encima de 100 kWe; también debe poder cubrir las necesidades del sistema NEP”.
La NASA trabaja en el diseño de un sistema de energía de fisión de superficie para aplicaciones en la superficie de la Luna y para una futura misión a Marte con humanos.
Energía para sistemas a bordo de la nave espacial
Las naves espaciales no solo necesitan energía eléctrica para la propulsión, sino también para mantener sus sistemas de apoyo vital, comunicaciones y otros equipos y sistemas. En la reunión de expertos se mencionó con especial énfasis a los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que han impulsado la nave Voyager durante décadas mucho más allá del Sol gracias a su potencial para aportar calor y electricidad durante largos periodos de tiempo a los sistemas a bordo de naves espaciales en las frías temperaturas del espacio.
Futuras soluciones nucleares como la tecnología DFD podrían suministrar electricidad de manera simultánea. Según estudios de la NASA, un motor de transmisión directa con energía de fusión puede producir energía e impulso con el mejor rendimiento, generando energía eléctrica y propulsión con un solo motor.
Con el apoyo de la energía nuclear, las misiones espaciales del futuro podrán contar con un número de aplicaciones mucho mayor. En palabras de Mikhail Chudakov, del Departamento de Energía Nuclear del OIEA, “nuestro camino hacia las estrellas pasa por el átomo”.
