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SOCIEDAD. ¿Una nueva era de vuelos espaciales? Avances en la propulsión de cohetes

 


La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (Darpa) ha  encargado recientemente a  tres empresas privadas, Blue Origin, Lockheed Martin y General Atomics, que desarrollen cohetes térmicos de fisión nuclear (la misma tecnología empleada en centrales nucleares y submarinos nucleares) para su uso en la órbita lunar.

Tal desarrollo, si se concreta, podría marcar el comienzo de una nueva era de vuelos espaciales. Dicho esto, es solo una de varias avenidas emocionantes en la propulsión de cohetes. Éstos son algunos otros.

Cohetes químicos

El modo estándar de propulsión para naves espaciales utiliza cohetes químicos. Hay dos tipos principales: de combustible sólido (como los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial) y de combustible líquido (como el Saturno V ).

En ambos casos, se emplea una reacción química para producir un gas muy caliente y altamente presurizado dentro de una cámara de combustión. La boquilla del motor proporciona la única salida para este gas que, en consecuencia, se expande y proporciona empuje.

La reacción química requiere un combustible, como hidrógeno líquido o aluminio en polvo, y un oxidante (un agente que produce reacciones químicas) como el oxígenoHay muchas otras variables que, en última instancia, también determinan la eficiencia de un motor de cohete, y los científicos e ingenieros siempre buscan obtener más empuje y eficiencia de combustible en un diseño dado.

Recientemente, la empresa privada SpaceX ha estado realizando  vuelos de prueba de su prototipo de lanzador StarshipEste vehículo utiliza un "motor de combustión por etapas de flujo completo (FFSC)", el Raptor, que quema metano (CH4) como combustible y oxígeno como oxidante. Tales diseños fueron probados por los rusos en la década de 1960 y el gobierno de los Estados Unidos en la década de 2000, pero hasta ahora ninguno ha volado al espacio. Los motores consumen mucho más combustible y pueden generar una relación empuje / peso mucho más alta que los diseños tradicionales.

Cohetes térmicos de fisión

El núcleo de un átomo consta de partículas subatómicas llamadas protones y neutrones. Estos determinan la masa de un elemento: cuantos más protones y neutrones, más pesado es. Algunos núcleos atómicos son inestables y pueden dividirse en varios núcleos más pequeños cuando se bombardean con neutrones. Este es el proceso de fisión nuclear y puede liberar una enorme cantidad de energía. A medida que los núcleos se desintegran, también liberan más neutrones que van a fisurar más átomos, produciendo una reacción en cadena.

En un cohete térmico de fisión nuclear, un gas propulsor, como el hidrógeno, se calienta mediante fisión nuclear a altas temperaturas, creando un gas a alta presión dentro de la cámara del reactor. 

Al igual que con los cohetes químicos, esto solo puede escapar a través de la boquilla del cohete, produciendo nuevamente empuje. No se prevé que los cohetes de fisión nuclear produzcan el tipo de empuje necesario para elevar grandes cargas útiles desde la superficie de la Tierra al espacio. Sin embargo, una vez en el espacio, son mucho más eficientes que los cohetes químicos: para una masa determinada de propulsor, pueden acelerar una nave espacial a velocidades mucho más altas.

Motor de cohete nuclear transportado a un banco de pruebas en Jackass Flats, Nevada, en 1967. Fuente: AEC-NASA

Los cohetes de fisión nuclear nunca se han lanzado al espacio, pero se han probado en tierra. Deberían poder acortar los tiempos de vuelo entre la Tierra y Marte de unos siete meses a unos tres meses para futuras misiones tripuladas. Los inconvenientes obvios, sin embargo, incluyen la producción de desechos radiactivos y la posibilidad de que el lanzamiento falle, lo que podría dar lugar a que el material radiactivo se esparza por una amplia zona.

Un gran desafío de ingeniería es miniaturizar lo suficiente un reactor para que quepa en una nave espacial. Ya existe una industria floreciente en la producción de reactores de fisión compactos, incluido el desarrollo de un reactor de fisión que es  más pequeño que un humano adulto .

Concepto artístico del nuevo sistema de energía de fisión en la superficie lunar. Fuente: NASA


Reactores de fusión nuclear directa

Una empresa conjunta financiada por la NASA entre la Universidad de Washington en Seattle y una pequeña empresa llamada MSNW LLC centrada en el desarrollo de sistemas avanzados de propulsión espacial ha desarrollado un pequeño dispositivo de fusión pulsada de campo invertido (similar al concepto de spheromak de las décadas de 1980 y 1990). ) para ser extrapolado a un "motor de transmisión por fusión". Los promotores del proyecto dicen que están trabajando en la construcción de los componentes  de "un cohete propulsado por fusión destinado a superar muchos de los obstáculos que bloquean los viajes al espacio profundo, incluidos largos tiempos de tránsito, costos exorbitantes y riesgos para la salud".

En un movimiento similar, el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) ha establecido una colaboración con una empresa llamada Princeton Satellite Systems para trabajar en un  motor de transmisión de fusión directa para la exploración espacial. 

En el motor de propulsión por fusión directa proyectado, la energía de fusión no se produciría mediante las reacciones deuterio / tritio (DT) del ITER o de las futuras plantas generadoras de electricidad. Si bien la reacción DT es la más accesible en el estado actual de la tecnología, tiene dos inconvenientes importantes, particularmente para la exploración espacial tripulada. El tritio es un elemento radiactivo, y las reacciones de fusión producen un flujo de neutrones altamente energéticos de los que los humanos y los equipos electrónicos deben protegerse fuertemente.  

La reacción deuterio / helio-3 que está planificada para el motor de transmisión por fusión directa no tiene ninguna de estas limitaciones: ambos elementos son estables y también lo son los productos de reacción, hidrógeno y helio. Como la reacción es " aneutrónica " , no se requeriría un blindaje pesado para la protección. 

Sin embargo, hay un gran problema: la temperatura requerida para fusionar los núcleos de deuterio y helio-3 es aproximadamente diez veces más alta que la requerida para la fusión de DT y ningún dispositivo ha alcanzado este nivel de energía. (El récord actual lo tiene el tokamak japonés JT-60U, que alcanzó una temperatura de iones de 500 millones de grados).

Los desarrolladores de la unidad de fusión directa afirman que su motor podría estar operativo a partir de 2028 , lo que podría parecer una proyección tremendamente optimista. Pueden pasar décadas antes de que la propulsión por fusión abandone el ámbito de la ciencia ficción y entre en la realidad de los viajes espaciales.


Los reactores de fusión ahora se contemplan como la fuente de calor que podría llevar el propulsor del cohete a una temperatura extremadamente alta (y por lo tanto un escape de alta velocidad) o expulsar plasma ultracaliente para proporcionar empuje.


Propulsión eléctrica

Un elemento básico de la ciencia ficción, los impulsores de iones reales generan partículas cargadas (ionización), las aceleran utilizando campos eléctricos y luego las disparan desde un propulsor. El propulsor es un gas como el xenón, un elemento bastante pesado que puede cargarse eléctricamente con facilidad.

Propulsor de iones del espacio profundo de la NASA 1. Fuente: NASA

A medida que los átomos cargados de xenón se aceleran fuera del propulsor, transfieren una cantidad muy pequeña de impulso (el producto de la masa y la velocidad) a la nave espacial, proporcionando un empuje suave. Si bien los motores de iones son lentos, se encuentran entre los métodos de propulsión de naves espaciales más eficientes en el consumo de combustible, por lo que podrían llevarnos más lejos. Los impulsores de iones se usan comúnmente para el control de actitud (cambiar la dirección en la que se dirige una nave espacial) y se han considerado para  desorbitar satélites antiguos .

Los motores de iones actuales  funcionan con células solares, lo que los convierte en energía solar y requieren muy poco propulsor. Se han utilizado en la misión SMART-1 de la ESA  a la Luna y  en la misión Bepi-Colombo en ruta a Mercurio. La NASA está desarrollando actualmente un sistema de propulsión eléctrica de alta potencia para el Lunar Gateway , un puesto de avanzada que orbitará la Luna.

Velas solares

Si bien la propulsión generalmente requiere un propulsor de alguna descripción, un método más "verde" que se basa solo en la luz del sol.

Vela solar Ikaros. Fuente: Pavel Hrdlička CC BY-SA

Las velas se basan en la propiedad física de la conservación del impulso. En la Tierra, estamos acostumbrados a ver este impulso como una presión dinámica de las partículas de aire que soplan en una hoja al navegar,  impulsando un barco hacia adelanteLa luz se compone de fotones, que no tienen masa, pero tienen impulso y pueden transferirlo a una velaComo las energías de los fotones individuales son muy pequeñas, se necesita un tamaño de vela extremadamente grande para cualquier aceleración apreciable.

La ganancia de velocidad también dependerá de qué tan lejos del Sol se encuentre. En la Tierra, la potencia recibida de la luz solar es de aproximadamente 1,3 kW por metro cuadrado. Si tuviéramos una vela del tamaño de un campo de fútbol, ​​esto equivaldría a 9,3 MW, proporcionando una aceleración muy baja, incluso para un objeto de baja masa.

Las velas solares han sido probadas por la nave espacial japonesa  IKAROS,  que voló con éxito por Venus, y la Sociedad Planetaria  Lightsail-2 , que actualmente está en órbita alrededor de la Tierra.

Una forma de mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de la vela es utilizar un láser para impulsar la nave espacial hacia adelante. Los láseres producen haces de fotones muy intensos que pueden dirigirse a una vela para proporcionar una aceleración mucho mayor, pero sería necesario construirlos en órbita terrestre para evitar la pérdida de intensidad en la atmósfera. Los láseres también se han  propuesto  como un medio para desorbitar la basura espacial: la luz del láser puede ralentizar una pieza de basura orbital, que luego se saldría de la órbita y se quemaría en la atmósfera.


El desarrollo de cohetes de fisión nuclear puede excitar a algunos y preocupar a otros. Sin embargo, a medida que las empresas privadas y las agencias espaciales nacionales se comprometan cada vez más con una presencia humana sostenida en el espacio, estos medios alternativos de propulsión se volverán más comunes y tendrán el potencial de revolucionar nuestra naciente civilización espacial.

Fuentes: Gareth Dorrian – Post Doctoral Research Fellow in Space Science, University of Birmingham y Ian Whittaker – Senior Lecturer in Physics, Nottingham Trent University (para The Conversation) ; ITER


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