La energía nuclear en misiones espaciales

¿Cuántas naves espaciales han usado energía nuclear desde que se inauguró la era espacial en 1957? Pues no muchas, porque a pesar de que en un principio se presentó como una tecnología imprescindible para conquistar el Sistema Solar, lo cierto es que pocas misiones han empleado este tipo de energía. Y eso que el poder del átomo es igual de impresionante fuera de la Tierra como en su superficie.

La sonda New Horizons con los generadores de radioisótopos a la izquierda (NASA).

La energía nuclear en un vehículo espacial se puede usar bien como parte de un sistema de propulsión, bien para generar electricidad, o bien para ambas cosas. En el primer caso, aunque en los Estados Unidos y la Unión Soviética se construyeron prototipos de motores nucleares, nunca se llegaron a probar en el espacio. Hasta la fecha, el uso de la energía nuclear fuera de la Tierra se ha limitado a generar electricidad y calor en misiones donde la energía solar es escasa (sondas más allá de la órbita de Marte) o en naves con un alto consumo energético (los satélites soviéticos US-A o Plazma-A).

Los sistemas nucleares para generar electricidad se dividen en dos tipos: reactores nucleares y generadores termoeléctricos o calefactores. Los reactores nucleares pueden suministrar electricidad casi ilimitada, pero debido a su coste y complejidad no se recomienda su uso para potencias inferiores a los 10 kW. Por contra, los generadores termoeléctricos de radioisótopos suelen ser idóneos en el rango 1-5 kW.

La energía nuclear es ideal para altas potencias y largas duraciones (NASA).

Los generadores termoeléctricos utilizan el calor generado por la desintegración de cierta cantidad de un isótopo radiactivo (normalmente plutonio 238) para crear electricidad a través de termopares. Estos sistemas se conocen en inglés con las siglas RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) o en ruso como RITEG (РИТЕГ, Радиоизотопные Термоэлектрические Генераторы), es decir, generadores termoeléctricos de radioisótopos. En determinadas ocasiones, también se ha usado este calor para controlar la temperatura de los vehículos sin necesidad de crear electricidad, denominándose en este caso sistemas RHU (Radio-Isotope Heater Units) o BO (БО, Блоки Обогрева).

Lista de todos los RTGs y RHUs usados en misiones espaciales (en rojo los de Rusia/URSS). SNAP: Systems for Nuclear Auxiliary Power program; GPHS-RTG, general-purpose heat source; RHU: radioisotope heater unit; LWRHU: lightweight radioisotope heater unit; MHW-RTG: multi-hundred-watt RTG.
Dos modelos de RTG de la NASA (NASA).
Esquema de un RHU (NASA).

Los EEUU han empleado RTGs y RHUs de forma intensiva en sus misiones espaciales. No en vano, un total de 27 naves espaciales norteamericanas han empleado RTGs (algunas con RHUs adicionales), incluidas las únicas misiones que han viajado más allá de Júpiter. Otras cuatro sondas han hecho uso de RHUs para controlar la temperatura de las naves, como por ejemplo la misión Cassini, que además de sus tres RTGs incorpora 82 pequeños RHUs de 1 W de potencia para mantener los equipos a la temperatura adecuada (la sonda europea Huygens incorporaba 35 RHUs adicionales). También podemos citar el ejemplo de la sonda Galileo, que utilizaba nada más y nada menos que 120 RHUs con 2,68 g de plutonio cada uno.

El caso es que los Estados Unidos han mandado vehículos con RTGs a la superficie de Marte y a todos los planetas exteriores. Además, cinco misiones Apolo usaron RTGs en la superficie lunar para alimentar los instrumentos del ALSEP. Hasta la fecha, los RTGs del programa Apolo constituyen el único ejemplo del uso de estos sistemas en misiones tripuladas.

Un astronauta del Apolo retira la carga de plutonio 238 del módulo lunar para el RTG del ALSEP (NASA).
RTG SNAP-27 (NASA).
Los RTG de las sondas Voyager (NASA).

Pero no todo ha sido un camino de rosas. En 1964, el satélite Transit 5BN-3 reentró en la atmósfera terrestre con su RTG de plutonio 238, aunque no se detectó ninguna contaminación radiactiva a resultas del incidente. Cuatro años después, el cohete que transportaba al satélite meteorológico Nimbus B1 falló y el satélite cayó a tierra. Por suerte, el RTG fue recuperado y procesado para su uso en una misión posterior. No obstante, el accidente más llamativo relacionado con los RTGs fue el del Apolo 13. Como es sabido, los astronautas de esta misión tuvieron que usar su módulo lunar (LM) Aquarius como bote salvavidas para dar la vuelta a la Luna y regresar a la Tierra sanos y salvos. Pero lo que no es tan conocido es que el LM Aquarius se desintegró con su RTG SNAP-27 de plutonio 238 sobre el Pacífico sur. Eso sí, al igual que en el caso del Transit 5BN-3, no se detectó ninguna fuga radiactiva en la zona. Y no es casualidad, ya que los RTGs están diseñados para evitar la fuga de material radiactivo en caso de una explosión durante el lanzamiento o de una reentrada atmosférica del vehículo.

Curiosamente, la Unión Soviética apenas empleó esta fuente de energía en sus misiones espaciales. Esto contrasta con el uso generoso de RTGs en la industria civil soviética, donde se utilizaron como fuente de alimentación de todo tipo de sistemas (por ejemplo, en radiofaros). Por contra, la URSS prefirió usar directamente reactores nucleares, de ahí que los RTGs no fuesen muy populares en el programa espacial soviético. Aparte de los satélites experimentales Kosmos-84 y Kosmos-90, la Unión Soviética sólo empleó RTGs en los dos Lunojod lunares, aunque en este caso su función no era generar electricidad, sino mantener el vehículo a una temperatura adecuada durante la fría y larga noche lunar. Los RTGs de los Lunojod se denominaban “Orión” y usaban polonio 210 como isótopo radiactivo, lo que contrasta con el plutonio 238 empleado en todos los RTGs y RHUs norteamericanos. El polonio 210 permitía un diseño más compacto de los RTGs gracias a una potencia térmica específica de 141 W/g, pero por otro lado la vida útil era muy inferior a los modelos de plutonio, del orden de 125 días solamente. Teniendo en cuenta que las misiones soviéticas de la época tenían una esperanza de vida muy limitada, el polonio no era una mala opción.

Sin embargo, la malograda sonda marciana Mars-96 incorporaba cuatro pequeños RTGs del modelo “Ángel” con 17 gramos de plutonio 238 y 0,2 W de potencia eléctrica cada uno. Las dos estaciones de superficie de la sonda llevaban dos RTGs Ángel y dos RHUs de 8,5 W a base de polonio 210. Los RTGs, así como el resto de la sonda, terminaría estrellándose en la selva sudamericana. Hasta la fecha, nadie ha encontrado los restos de esta misión ni ninguna traza de contaminación radiactiva significativa. La búsqueda continúa.

La sonda Mars 96: cada cápsula de descenso tenía dos RTGs y dos RHUs (IKI).
Mini-RTG Ángel de la sonda marciana rusa Mars 96 (Roskosmos).
Antiguo RTG soviético de uso civil (Wikipedia).

Frente a la escasez de RTGs, la URSS lanzó un total de 34 reactores nucleares al espacio, mientras que los Estados Unidos sólo han puesto en órbita una unidad (oficialmente). El por ahora primer y único reactor nuclear norteamericano fue el SNAP-10A, lanzado el 3 de abril de 1965. Con una masa de 295 kg, este reactor generaba un máximo de 43 kW de potencia térmica y 580 W de potencia eléctrica. Aunque los EEUU probaron en tierra los reactores SNAP-2 y SNAP-8, no llegaron a la fase operativa, como tampoco el SNAP-100, un programa iniciado en los años 80. En este punto conviene recordar que bajo el programa SNAP (Systems Nuclear Auxiliary Power) se desarrollaron tanto RTGs como reactores nucleares, pero obviamente hay que tener en cuenta que se trata de sistemas muy diferentes.

Reactor nuclear norteamericano SNAP-10A (NASA).
Nave SNAPSHOT con el reactor SNAP-10A (NASA).

La experiencia de la URSS en este campo fue mucho más rica, con un total de 34 reactores espaciales, 32 del tipo Buk (BES-5) y dos del tipo TOPAZ (TEU-5 Tópol). Los Buk, de 1450 kg, se emplearon para alimentar los sistemas de los satélites espías US-A (conocidos en occidente como RORSAT), cuyo objetivo era la detección mediante radar de los grupos de portaaviones norteamericanos en alta mar. Los reactores Buk también protagonizaron los que probablemente sean los accidentes nucleares espaciales más famosos. Dos Buk (Kosmos-954 y Kosmos 1402) reentraron en la atmósfera terrestre contaminando la zona de caída con materiales radiactivos. Los TOPAZ sólo volarían en dos ocasiones a bordo de satélites Plazma-A (US-AM, Kosmos-1818 y Kosmos-1867).

Satélite espía US-A con el reactor Buk (a la derecha). La URSS lanzó
Reactor Buk (BES-5). 1: reactor nuclear; 2: tubería de metal líquido refrigerante (NaK); 3: escudo de radiación; 4: tanque de metal líquido; 5: radiador; 6: TEG; 7: estructura (Novosti Kosmonavtiki/ Instituto Kurchatov).
Reactor TOPAZ. 1: sistema de suministro de vapor de cesio; 2: convertor termoiónico; 3: tubería del refrigerante de metal líquido (NaK); 4: escudo antiradiación; 5: tanque de metal líquido; 6: radiador; 7: estructura (Novosti Kosmonavtiki/Instituto Kurchatov).
Reactor Yenisey (TOPAZ-2) (Novosti Kosmonavtiki).
Reactores nucleares espaciales.

La caída de la URSS impidió que el reactor avanzado Yenisey (TOPAZ-2) entrase en servicio, aunque entre 1970 y 1988 se fabricaron 26 unidades operativas. Dos de estas unidades TOPAZ-2 fueron compradas por los EEUU en 1991. Actualmente, la mayoría de reactores soviéticos Buk y TOPAZ siguen en órbita.

La energía nuclear se ha mostrado una herramienta imprescindible para las sondas espaciales, especialmente para aquellas que han viajado más allá de Marte. No obstante, los altos costes asociados a esta tecnología y la mala imagen pública ha dificultado su uso. En los últimos años, las reservas de plutonio 238 de la NASA para sondas espaciales han disminuido de forma alarmante, y eso a pesar de haber comprado a Rusia abundantes reservas de este isótopo. Si los EEUU no reanudan la fabricación de plutonio, el futuro de algunos proyectos de sondas espaciales norteamericanas para la próxima década puede estar en peligro.

Por otro lado, Rusia se ha comprometido recientemente a crear un reactor nuclear para misiones espaciales, aunque con la crisis actual el programa está progresando muy lentamente. En cuanto a los EEUU, el último intento de desarrollar un reactor nuclear espacial tuvo lugar durante la administración Bush y se saldó en fracaso, al igual que los programas que lo precedieron. Una pena, porque sólo misiones de tipo JIMO, con propulsión eléctrica nuclear, serán capaces de romper los límites de los sistemas de propulsión convencionales para poder explorar el Sistema Solar a nuestro antojo.

Sonda JIMO de propulsión nuclear eléctrica (NASA).

Referencias:


19 Comentarios

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Victor H.Victor H.

Como siempre, gran y genial post. Respecto al tema, que opinas sobre los IEC devices (confinamiento inercial electrostatico)? He leido que puede ser una respuesta a la propulsion nuclear en el espacio…

cienciaficcionuruguaya

mucha gente esta en contra de los reactores pero si no me equivoco. no se solucionarina mucho los temas del delta V con este tipo de energia???? aumentan los riesgos pero bien lo vale x lo menos en las sondas

AngoAngo

Una pregunta ¿El empuje de un motor iónico es independiente de la fuente de energía con el que se alimenta? p.ej, si VASIMR se alimenta con paneles solares puede conseguir características distintas que con un motor nuclear?

Krick

Si tu tienes 2MW con paneles solares, o con un reactor uclear eso no interesa al motor, el problema es que a mas lejos el sol menos energia dan los paneles. Por eso dicen que el motor nuclear ahora mismo es lo unico que puede dar suficiente caña.

upnews.es

Magnífica entrada, muy interesante y con excelentes fotos y explicaciones. Gracias.

Valora en upnews.es: ¿Cuántas naves espaciales han usado energía nuclear desde que se inauguró la era espacial en 1957? Pues no muchas…

AnonymousAnonymous

La dificultad radica en convencer a la cada vez mas antinuclear opinion publica, en que ese pequeño reactor nuclear que sobrevolara sus cabezas antes de salir de la orbita terrestre no supone ninguna amenaza, es mas, que todo seran ventajas. Cuando se consiga eso, se habrá superado el principal escollo en el uso de esta tecnologia.
Esperemos a ver que pasa con Curiosity, porque como sea un exito podría ser un punto de inflexion. JorgeS

AnonymousAnonymous

Hola hijo,

Publicitas la contaminación nuclear del espacio gratis o de pago?

Sabías que uno de los primeros “satelites” como se llamaban, tuvo un accidente y como consecuencia desde ese día todos los humanos tenemos más rads en el pellejo?

Has visto los que estan cayendo por ahí?

Despertaras cuando te caiga uno en la cabezota?

AnonymousAnonymous

Por donde estan cayendo satelites? quizas te refieras las UARS que se publicito mucho hace bien poco y del que no hay ningun resto? leyendote parece que uno tenga que salir con casco por si te cae uno en la cabezota. XD

Celsog1

“Publicitas la contaminación nuclear del espacio gratis o de pago?”

Para el anónimo que entre su comentario citó lo anterior, el medio inter estelar( el espacio ) es bombardeado continuamente por radiaciones de distintos tipos emanadas por fuentes termonucleares como las estrellas, solo por citar un ejemplo, así que los reactores nucleares propuestos no harán nada distinto a lo que ya otros fenómenos astro físicos provocan.

Ahora de lo que el post habla es de usar la energía nuclear para la exploración del sistema solar exterior donde la utilidad de los paneles solares es reducida para la generación de energía eléctrica y calor con forme la nave se aleja del Sol, obviamente, para satélites en órbita baja, media o alta en nuestro planeta, no es necesario estos ingenios por el obvio riesgos de que fallen o caigan a tierra y menos teniendo la luz del Sol a su disposición para generar electricidad.

AnonymousAnonymous

1. La energía nuclear en la exploración espacial en todas sus forma y tecnología serán lo más normal, básico y rentable en un futuro.
2. Lo que preocupa es su utilización dentro de nuestra atmósfera, por si pasa algún accidente. Pero si pasa en el espacio, que daño arriamos, si ya esta “naturalmente” contaminado de varias fuentes.
3. Una solución, crear, desarrollar y operar en el propio espacio toda esta tecnología nuclear.

AnonymousAnonymous

Gracioso el comentario del anonimo (troll?). Al parecer no esta muy informado sobre el asunto.

MikelMikel

Mientras que no consigamos energía milagrosamente, la energía nuclear es lo único que nos queda para poder explorar el universo, ya que en cuanto nos alejamos del sol los paneles no sirven para nada y llevar combustible fósil junto con el oxigeno no es que salga muy rentable la verdad…
Por lo demás gran articulo…

AnonymousAnonymous

Alguno se cree que esta posteando en una red social cualquiera, valla lo que ha soltado el susodicho anónimo.
Encima hasta vacilara delante de sus “colegas”.
Manuel.

JofaserimonJofaserimon

Creo que hay un “ligero” error en esta parte del artículo:

“También podemos citar el ejemplo de la sonda Galileo, que utilizaba nada más y nada menos que 120 RHUs con 2,68 g de plutonio cada uno.”

321’6 kg en total de plutonio, creo que es una cantidad algo más que respetable, suficiente como para montar un estudio de cine para los jovianos.

henryhenry

reactores nucleares con enfriamiento conoespirales foto: ———-,———–, con eso si seguro que llegamos ala luna y no dando vueltas por el espacio siempre pegado ala tierra por que mas alla no te rescatan

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