Por Jay Bennett21 de febrero de 2018
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BWXT NUCLEAR ENERGY INC.
La NASA estudió los "sistemas de propulsión térmica nuclear" durante la Guerra Fría, pero archivó la idea porque no era necesaria.
Las naves espaciales de propulsión nuclear podrían enviar a los humanos a Marte más rápido y permitirles abortar una misión peligrosa y regresar a la Tierra.
La NASA ya contrató a una compañía para que comience a trabajar en un nuevo diseño de motor NTP.
Para lograr lo que será el mayor triunfo de los vuelos espaciales tripulados desde el Apolo 11, enviando astronautas a Marte, la NASA está buscando una explosión de su pasado nuclear.
Es posible que los motores de cohete propulsores químicos de hoy en día no sean la forma más rápida o más eficiente de enviar una tripulación a otro planeta. Una idea para el motor de cohete de la próxima generación que necesitaría es volver a traer los sistemas de propulsión térmica nuclear (NTP). La tecnología se estudió en los años 50 y 60, pero se archivó a principios de los años 70 debido a los desafíos tecnológicos y porque no había una necesidad clara del sistema de propulsión.
Jeff Sheehy, ingeniero en jefe de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA, dice que los tiempos han cambiado. Los avances en la fabricación, la ciencia de los materiales y la ingeniería han permitido diseñar un mejor elemento de combustible y un reactor nuclear de lo que fue posible durante la Guerra Fría. Lo que es más, y lo que realmente ha faltado hasta ahora, es un "deseo renovado de enviar tripulaciones al espacio profundo", dice Sheehy."Quiero decir que el deseo siempre ha estado ahí, pero el empuje o el énfasis que la NASA ha tenido durante los últimos años en el desarrollo de esa capacidad, eso ha renovado el interés en NTP como una opción".
Más rápido a Marte
Un motor de cohete de propulsión nuclear nuclear usaría un pequeño reactor nuclear para generar calor a partir del combustible de uranio. Esa energía térmica luego sería transferida a un propelente líquido, probablemente hidrógeno líquido, que se expande en un gas y se dispara a través de una boquilla para producir empuje. "Entonces haces que el escape se mueva muy rápido por la parte trasera", dice Sheehy.
Para comenzar a trabajar en un nuevo motor cohete NTP, la NASA adjudicó un contrato de $ 18.8 millones a BWXT Nuclear Energy en agosto de 2017. BWXT, que tiene una larga historia de producir combustible nuclear para la Marina de los EE. UU., Utilizará el dinero para un proyecto de tres años con cuatro partes principales: diseñar un reactor nuclear que utilice combustible nuclear de uranio poco enriquecido en forma de varillas cerámicas metálicas;diseñar un motor que podría acoplarse al reactor para producir empuje; estudiar opciones de almacenamiento criogénico para transportar propelente de hidrógeno líquido; y desarrollar un sistema de captura de escape que se usaría para futuras pruebas en tierra del motor NTP.
Pruebas no nucleares de materiales de elementos combustibles para el sistema NTP. El material brillante es una varilla cermet, o cerámica metálica, de uranio poco enriquecido.
NASA
"Lo que este proyecto está estudiando principalmente es un diseño de elementos combustibles que nos permita utilizar uranio poco enriquecido", dice Sheehy. "En lugar del uranio altamente enriquecido que ha sido la base de los esfuerzos previos del NTP, estamos considerando utilizar una mezcla donde la cantidad de material fisionable sea inferior al 20 por ciento ... El manejo, la seguridad, el proceso de aprobación, la concesión de licencias , todo eso, se espera que sea algo menos extenuante que el uranio altamente enriquecido, apto para armas. Este es el tipo de sistema que una universidad podría tener como reactor ".
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La propulsión térmica nuclear tiene una serie de ventajas sobre los sistemas actuales de propulsión química y eléctrica. Una nave espacial que use NTP podría reducir el tiempo de viaje a Marte en un 20 o 25 por ciento en comparación con los motores de cohetes químicos, dice Sheehy. Alternativamente, la mayor salida de energía significa que una nave espacial con NTP podría lanzarse a Marte durante una ventana de lanzamiento más amplia que las naves espaciales con motores de cohetes convencionales. Estos últimos están limitados a una ventana de 30 días cada 26 meses que depende de las posiciones orbitales de la Tierra y Marte.
Quizás lo más importante es que los motores NTP permitirían a los astronautas en una misión a Marte abortar más fácilmente y volar de regreso a la Tierra. Los propulsores químicos proporcionan una gran cantidad de empuje, pero se queman rápidamente. En consecuencia, dice Sheehy, una misión tripulada a Marte que utilice propelentes químicos probablemente necesite enviar el combustible para el viaje de regreso con anticipación. En otras palabras, los astronautas que vuelan a Marte con motores de cohetes químicos deberían llegar allí para recoger el combustible que necesitan para volar a casa.
"Es posible que tenga la oportunidad de abortar un mes o dos en la misión [con NTP]", dice Sheehy. "Mientras que con un sistema químico, una vez que te colocas en una trayectoria hacia Marte, básicamente vas a Marte. Quizás desees poder volver a casa".
Nuclear vs. Químico vs. Eléctrico
Una gran ventaja de los motores NTP es que pueden funcionar mucho más tiempo que los motores de cohetes químicos, como los motores principales del transbordador espacial o los motores Merlin en los cohetes SpaceX Falcon 9, y aún producen mucho más empuje que un sistema de propulsión eléctrica, como el propulsores de iones utilizados en satélites. NTP es un medio feliz.
Un diagrama del motor nuclear de propulsión térmica con flechas que muestran la trayectoria del flujo del propelente de hidrógeno. Los colores de las flechas representan la temperatura relativa del gas, con el azul como el más frío y el rojo como el más caliente.
BWXT NUCLEAR ENERGY, INC.
"Los motores principales del transbordador espacial estaban montados en ese enorme tanque naranja, lleno de oxígeno e hidrógeno, y tan enorme como lo era, solo tenía suficiente combustible para alimentar los tres motores principales del transbordador espacial durante unos 10 minutos", dice Sheehy. . "Y luego has usado todo ese propulsor y el enorme tanque naranja se ha ido". El sistema NTP que NASA y BWXT están diseñando, por otro lado, podrían disparar continuamente durante una hora o más.
"La otra consideración importante es cómo dimensiona su motor", dice Sheehy. "Lo que estamos viendo para el sistema NTP es un motor que estaría en el rango de 15,000 a 25,000 libras de fuerza de empuje, y podríamos agrupar a tres de ellos".
La eficiencia de un motor de cohete se mide en un impulso específico. "Es algo así como millas por galón en un automóvil", dice Sheehy. Los ingenieros miden la cantidad de fuerza de empuje de un motor en libras de empuje, y luego dividen ese valor por la tasa de consumo de combustible en libras por segundo, lo que te deja con un impulso específico medido en segundos.
"[Impulso específico de NTP] es en realidad el doble que un sistema químico, su típico cohete de hidrógeno y oxígeno", dice Sheehy. "Son 450 segundos para los cohetes químicos. El sistema NTP que estamos diseñando sería de unos 900 segundos. Así que obtienes mucha más fuerza de empuje para la velocidad de flujo del propelente".
Un motor de propulsión eléctrica, como un impulsor Hall que ioniza gas xenón, tiene un impulso específico elevado, tanto como 10 veces mayor que el del NTP. Pero el empuje es muy bajo.Eso hace que la tecnología sea buena para hacer pequeños ajustes a las órbitas de los satélites. Los propulsores de iones más grandes en el espacio son solo alrededor de 4 1/2 kilovatios. Un propulsor de iones mucho más grande, de 100 kilovatios conocido como X3 está siendo probado en la NASA Glenn como un motor potencial para misiones a Marte, pero incluso un propulsor de iones tan grande tiene una fuerza de empuje mucho menor que un sistema NTP.
El Director del Laboratorio Nacional de Los Álamos, Norris Bradbury (izquierda), frente al reactor KIWI B4-A, un motor de propulsión térmica nuclear que fue parte del programa de la NARVA (Motor Nuclear para Aplicación de Vehículos Rocket) en la década de 1960.
LABORATORIO NACIONAL LOS ALAMOS
"Un sistema químico tiene una fuerza de empuje tremenda, pero bajas millas por galón, y usted solo puede llevar suficiente propelente para empujar durante minutos", dice Sheehy. "Un sistema eléctrico solar tiene una fuerza de empuje muy baja, pero millas muy altas por galón, y puede transportar suficiente combustible para empujar durante años. El tipo de NTP se casa con el alto empuje del sistema químico con un mayor ... millas por galón o impulso específico ".
La eficiencia del NTP proviene de su propelente de elección: hidrógeno molecular. Al usar la molécula más liviana disponible, el motor puede expulsar el aire por la parte posterior a velocidades increíbles, alrededor de 9 kilómetros por segundo. "Lo que quieres hacer en cohetería es arrojar cosas por la espalda muy rápido, y la forma de hacer que las cosas avancen rápidamente, o parte del camino para hacerlo, es si son muy livianas", dice Sheehy.
El hidrógeno líquido puede ser un propulsor difícil, sin embargo, porque el punto de ebullición es muy bajo. Para que el hidrógeno molecular permanezca líquido, sus tanques criogénicos deben enfriarse a 20 grados Kelvin, a menos de -250 grados Celsius. Diseñar los tanques de propulsor será uno de los desafíos para BWXT, aunque el resto de los componentes del motor para el sistema NTP deberían ser relativamente sencillos.
"Ha habido un gran desarrollo en los últimos 50 o 60 años trabajando con hidrógeno como propelente", dice Sheehy. "Todos los componentes del motor, como las bombas y válvulas y ese tipo de cosas, se han perfeccionado durante décadas, por lo que hay un patrimonio allí".
Regreso de la Guerra Fría
El proyecto NTP se produce en un momento en que la NASA también está trabajando enpequeños reactores nucleares para alimentar sistemas terrestres en Marte , como hábitats y plantas de procesamiento químico. Estos reactores, conocidos como Kilopower , tendrán "requisitos sustancialmente diferentes" de un sistema NTP.
"El reactor NTP tiene que funcionar bastante bien porque se desea impartir tanta energía térmica a ese propelente como se pueda", dice Sheehy. "Y así corre cerca de los límites de los materiales, mientras que los reactores de potencia de superficie nuclear funcionan a una temperatura mucho más baja".
Un concepto de cohete de propulsión nuclear nuclear que formaba parte del programa Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), alrededor de 1965.
GETTY IMAGES SSPL
Pero construir un motor NTP es solo parte de la ecuación. También necesitaría estimar qué tan difícil (y costoso) sería construir una nave espacial interplanetaria propulsada por propulsión térmica nuclear. Sheehy calcula el costo en unos pocos miles de millones de dólares, aunque el análisis de costo total no estará disponible por otro año más o menos.
"Si la NASA finalmente decide construir el sistema de propulsión térmica nuclear para el transporte en el espacio todavía está pendiente, pero lo que estamos haciendo ahora es un desarrollo que permitirá a la agencia dar ese paso", dice Sheehy.
Lo que está claro, sin embargo, es que la NASA está volviendo a las tecnologías de fisión nuclear de décadas pasadas. Con materiales mejorados, una mejor comprensión de los sistemas de motor, modelos de computadora y un renovado vigor para la exploración espacial, las tecnologías nucleares que fueron abandonadas durante la Guerra Fría podrían reaparecer en el siglo XXI, para la colonización de Marte.
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