Las reservas de plutonio de la NASA: 35 kg para explorar el sistema solar

35 kilogramos de plutonio-238. Esa es la cantidad de la que dispone la NASA para explorar el sistema solar. Desde hace años las reservas de plutonio son causa de preocupación dentro de la agencia y, aunque ya se han tomado medidas para remediar el problema, no cabe duda de que la solución está tomando más tiempo de lo que algunos esperaban. Una reciente auditoría del gobierno ha analizado el problema del plutonio y las conclusiones son bastante curiosas.

El MMRTG del rover Curiosity durante su traslado (NASA).
El MMRTG del rover Curiosity durante su traslado (NASA).

El plutonio-238 (Pu-238) es un isótopo que no tiene ninguna aplicación militar (el de las bombas es el Pu-239), pero se sintetiza a partir del neptunio-237 en instalaciones nucleares y su producción, manejo y almacenamiento es muy costosa. El Pu-238 es clave para la NASA porque se emplea en generadores de radioisótopos (RTG), unos dispositivos que transforman el calor derivado de la desintegración radiactiva de este isótopo en electricidad. Esto permite enviar naves espaciales que no dependan de la energía solar, bien al sistema solar exterior, donde la luz solar es demasiado débil, o en misiones complejas en las que el uso de paneles solares suponga una desventaja (como es el caso del rover marciano Curiosity). Otro uso menos conocido son los calefactores o RHU para reducir las tensiones térmicas de los vehículos (por ejemplo, los famosos rovers Spirit y Opportunity llevan pequeñas cantidades de plutonio en sus RHUs).

Partes de un RTG (NASA).
Partes de un RTG (NASA).

La producción de Pu-238 en Estados Unidos se detuvo en 1988 y desde entonces las reservas no han parado de disminuir, no solo por su uso, sino porque estamos hablando de un material radiactivo que obviamente se desintegra con el paso del tiempo. Para evitar esta pérdida la NASA se ha visto obligada a comprar Pu-238 a Rusia en las últimas décadas, pero el último envío se produjo en 2009. A veces se dice que el Pu-238 de Curiosity es ruso, pero eso no es del todo correcto. Y eso se debe a que normalmente se agrega plutonio ‘nuevo’ (con alto contenido de Pu-238) a reservas ‘viejas’ para su uso en RTG. Y la cantidad precisa de plutonio-238 ruso usado en Curiosity no es un dato público (por cierto, los militares estadounidenses también mantienen reservas de Pu-238 para su uso en tareas de ‘interés nacional’, pero la NASA no tiene acceso a este material).

El modelo más avanzado de RTG empleado por la NASA es el MMRTG (MultiMission Radioisotope Thermoelectric Generator), que genera 120 vatios de potencia eléctrica con una eficiencia del 6%. Cada MMRTG usa 3,5 kg de plutonio —en forma de óxido de plutonio (la masa total del óxido de plutonio es de 4,8 kg— y cuesta 77 millones de dólares. Eso significa que el coste de un MMRTG es un porcentaje considerable del precio de una misión de bajo coste de tipo Discovery, aunque no tanto para una de tipo New Frontiers o Flagship. 35 kg de Pu-238 parece muy poco, y lo es, pero afortunadamente la NASA solo tiene planeada una misión en firme que use RTGs: el rover marciano de la misión Mars 2020. Este rover, gemelo de Curiosity, saldrá por 2400 millones de dólares y usará un único MMRTG. La única otra misión ya aprobada que podía hacer uso de esta tecnología era la sonda Europa Clipper, pero en su momento se decidió emplear paneles solares para reducir su coste (y no por el estado de las reservas de plutonio).

El rover Mars 2020 es la única sonda de la NASA en firme que usará un RTG (NASA).
El rover Mars 2020 es la única sonda de la NASA en firme que usará un RTG (NASA).

La NASA ha reservado 10,5 kg de Pu-238 de sus preciosas reservas para tres MMRTG que podrían viajar en la misión New Frontiers que debe ser aprobada en 2019. Todavía no se sabe qué objetivo tendrá esta misión, aunque entre los candidatos tenemos Venus y Saturno, dos destinos donde el empleo de RTG es una ventaja indudable. No obstante, ya hay propuestas de misiones a Saturno para estudiar Titán y Encélado que usarían paneles solares en vez de RTG (como ELF) con el fin, una vez más, de mantener el presupuesto a raya. Si se decide usar RTGs, el coste de una unidad sería de 77 millones, como ya hemos visto, pero el de dos unidades alcanzaría los 94 millones y el de tres 117 millones (esto se debe a que hay muchos costes fijos, como es el almacenamiento, transporte y vigilancia de los RTGs). O lo que es lo mismo, el empleo de RTGs supondría entre el 9% y el 14% del coste de la misión.

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Sonda ELF para el estudio de Encélado. Podría no usar RTGs (NASA).

Otra noticia negativa es que de los 35 kg de Pu-238 solo aproximadamente la mitad cumple los estándares energéticos para ser usado en un RTG. Por este motivo, en el caso de que la misión New Frontiers que será aprobada en 2019 use tres RTG, eso significa que la NASA habrá gastado 14 kg de Pu-238 y solo quedaría plutonio para un MMRTG más o menos. Pese a todo, y como ya hemos señalado, el resto del plutonio puede volver a ser útil si se mezcla con material de reciente síntesis. Para salir de este atolladero el Departamento de Energía (DOE) reinició la producción de Pu-238 en 2011, pero esta vez con financiación exclusiva de la NASA, que ha invertido unos cincuenta millones al año en el programa. Desde entonces el DOE ha creado cien gramos de Pu-238, una cantidad muy pequeña, pero que espera aumentar de tal forma que para 2019 haya crecido hasta una producción de entre 300 y 500 gramos al año. Si todo va bien —es decir, si hay dinero— a partir de 2023 se sintetizarán cerca de 1,5 kg al año.

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Estado de la fabricación de Pu-238 en EEUU (NASA).
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Sondas que podrían usar RTGs (NASA).

Por lo tanto, y aunque 35 kg es ciertamente una cifra irrisoria para explorar el sistema solar, a mediados de la próxima década la NASA espera tener la capacidad para generar suficiente plutonio para sus futuras sondas espaciales. Y es que la principal limitación de la NASA no es tanto la falta de plutonio como la falta de misiones que requieran RTGs y el elevado coste de esta tecnología. Proyectos como las futuras sondas para estudiar Urano y Neptuno o misiones de aterrizaje en Europa quedan, lamentablemente, aún muy lejos en el futuro.

Referencias:

  • https://www.gao.gov/assets/690/687031.pdf

44 Comentarios

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LuisferLuisfer

Visto lo que comentas prefieren prescindir de los rusos también aquí. Ahora que recuerdo los rusos en los últimos años les han puesto peros respecto al precio por Pu 238.

Juan Carlos

Daniel, cual es el motivo de usar Pu238 en lugar de Pu239 u otros isótopos que si tengan aplicación militar? – por aquello de las economías de escala , y porque a los gobiernos no les dolerá tanto fabricar plutonio militar…

Srengel

Por la llamada vida media, entre menos sera su vida media más energía produce por unidad de masa.
Pu-238: 87,7 años
Pu-239: 24200 años

Srengel

Falto agregar, el Pu-239 dura más y por eso las reservas no han decaído tanto como las de Pu-239. En 30 años el Pu-239 pierde el 34 % de su utilidad, el Pu-239 el 0,12%. Aunque ya no se produjera plutonio militar en 30 años las reservas militares son aun extensas.

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

El Pu238 no es de uso militar en el sentido de que no es el material fisible de las cabezas nucleares. Pero sí se usa en los tests para estimar la vida útil de las cabezas nucleares, un parámetro de suma importancia.

NoelNoel

Pues que, lamentablemente, de TODOS los isótopos conocidos, sólo el Pu-238 es apto y perfecto para los RTG’s. Los demás emiten radiación de neutrones y otros tipos que no se pueden desviar y que causarían problemas en la electrónica. Sólo el Pu-238 es adecuado (y creo que también un isótopo del Americio, si no recuerdo mal).

Daniel hizo un post genial al respecto, pero no sé cómo buscarlo. Cachis…

SuzudoSuzudo

Creo que también vale el Polonio 210 fuerte emisor de particulas alfa… Y me parece que los rusos lo han usado (y no solo para cargarse gente crítica)

Srengel

El Po-210 sólo tiene una vida media de 140 días. En ese tiempo ni siquiera llegaría a Marte. Los rusos lo usaron en misiones a la luna, donde el viaje es solo de 3 días.

YepaYepa

A principios de año Ontario Power Generation anunció un acuerdo para producir Pu-238 en su planta de Darlington con la idea de empezar a partir de 2020, esto sería en paralelo a la producción que se lleva en Oak Ridge:

http://www.opg.com/news-and-media/ne...epSpace.pdf

Según el plan Pacific Northwest National Laboratory crearía los blancos de Np-237 que luego se irradiarían en Darlington.

Jose LuisJose Luis

Eres un crack!
Artículos muy bien escritos, mejor documentados, increíblemente interesantes.
Felicidades!!
Respecto al artículo una pregunta. La eficiencia de los generadores RTG como se ve influenciada por parámetros como composición atmosférica, temperatura exterior, etc.?

SuzudoSuzudo

Gastar Pu-238 en misiles ICBMs para que arranquen sin dudar cuando se lancen, y que no que para la investigación donde casi es insustituible, creo que es una forma de proceder bastante suicida

JRGJRG

¿Se sabe cuanto Plutonio 238 hay en las reservas de Rusia?
¿Siguen produciéndolo los rusos?

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

Si no recuerdo mal, Rusia tenía una o dos centrales nucleares que producían Pu238 (como derivado), pero se planteaban desmantelarlas porque eran poco eficientes para producir lo que realmente necesita el país: energía eléctrica. Y se ve que la venta de Pu238 a EEUU tampoco compensaba su costoso mantenimiento.

Pedro

No es que sean poco eficientes para producir electricidad sino que, en general, para la producción de radioisótopos no se usan reactores que produzcan electricidad. Sencillamente, es mejor tener una máquina específicamente diseñada para el fin que uno busca. Saludos.

CarlosCarlos

“…Venus y Saturno, dos destinos donde el empleo de RTG es una ventaja indudable”…. ¿por qué para ir a Venus también supondría una ventaja el uso del RTG? ¿Quieres decir en una misión de superficie?

kandalfkandalf

Probablemente sea todo un desafío tecnológico hacer unos paneles solares que no se frían en Venus. Seguro que es mucho mas fácil tener un RTG aquí si se tiene pensada una misión de larga duracción

Pedro

También cabe recordar que el día solar venusiano es de 117 días terrestres, lo que te da (+ o -) 59 días iluminados… y 59 días de noche. Que la sonda sobreviva a ese infierno sin poder generar electricidad 59 días va a ser complicado.

Rengel

Venus tiene demaciada nubocidad para que funcionen cualquier dispositivo com paneles solares. Aunque tenga 59 dias continuos de sol, solo una fraccion de el llega a la superficie.

Pedro

Si no tengo entendido mal, la radiación que llega a la superficie es similar a la de un día nublado en la Tierra. Claro que este es un concepto muy poco concreto.

NoelNoel

Dada la temperatura y la presión de Venus, creo que no le hacen falta ni paneles ni RTG’s a un lander venusiano.

Pueden construir todo el casco de la nave con la misma composición de materiales que generan la electricidad en los RTG’s, a partir del calor. Venus está a 460ºC, lo cual es calor más que suficiente como para alimentar una aleación termoeléctrica. Aunque generase menos vatios por metro cuadrado que un RTG (que ignoro a qué temperatura se pone), envolver TODO el aterrizador con ello, daría una superficie de reacción muchísimo mayor que la que aporta el RTG, con lo cual la potencia neta sería superior.

Y, seguro que si se busca, también hay algún tipo de material, compuesto o aleación que sea barieléctrico, es decir, que al ser sometido a presión produzca corriente. Desde luego, 90 atmósferas de presión (el equivalente a 900 metros bajo el agua en la Tierra) serían un aporte muy suculento para un material de éste tipo.

Con ello ahorrarían kilos de Pu-238 para cosas más importantes

YopYop

Ese tipo de transformador de calor a energia electrica…..¿No funciona en base a la diferencia de temperatura?
Si toda tu sonda acaba a la temperatura “ambiente” el invento deberia dejar de funcionar.

miguelmiguel

Es necesaria una diferencia de potencial para generar energia, debe haber una zona alta y otra baja, una caliente y otra fria, en este caso atomos inestables que liberan energia al fisionarse … en resumen debe aumentar la entropia para tener energia.

En venus el problema seran los disipafores de calor, pero salvo que se pueda usar energia eolica, para una mision que no pueda usar baterias, son la unica opion (paneles solares que aguanten esas condiciones deben ser muy pesador y la luz muuuy poca)

GMGM

Podrían utilizar aerogeneradores Vortex (http://www.vortexbladeless.com/) blindados para alimentar al aterrizador, por ello de que este diseño de aerogenerador tiene una menor cantidad de piezas móviles, exposición de componentes al infernal clima venusiano y que se necesita menos titanio para hacerlos que cualquier otro tipo de aerogenerador; aparte de su mayor facilidad de despliegue en la superfcie de Venus.

En cuanto a la ida a Venus y el módulo orbital, los soviéticos (18) entre 1961 a 1985, los estadounidenses (6) entre 1962 a 2004, lo europeos (1) entre 2005 a 2014 y los japoneses (3) de 2010 a la actualidad; así como las futuras sondas estadounidenses, indias, europeas-japonesas y rusas, eran todas sondas alimentadas por paneles solares (es más la IKAROS japonesa de 2010 es una vela solar de hecho).

miguelmiguel

Gracias, no conocía este tipo de aerogenerador, basado en la oscilación, curioso. Además de una empresa española.

Venus sería lo opuesto a Marte, en el tema eólico, vientos no rápidos pero la grandísima densidad/presión implica una alta energía.
Si Marte y Venus intercambiasen su órbitas, tendríamos un sistema Solar mucho más interesante.

JulioSpXJulioSpX

Esa nave deberia llevar una “camara de frio” para poder aprovechar el calor de Venus. A medida que el calor exterior penetrara en la camara disminuiria el rendimiento electrico :)

miguelmiguel

El sueño de los que vivimos en climas tipo infierno-siberia, una sustancia capaz de “absorver” calor en venaro y liberarlo en invierno (“absorviendo” frio para el verano) 😉

JxJx

El problema no es la falta de Pu-238, sino la falta de misiones (o presupuesto para ellas).
Gran parte del conocimiento adquirido del sistema solar ha sido gracias al Pu-238 implementado en un ‘puñado’ de sondas espaciales y robots en forma de RTG’s y RHU’s. por ejemplo, 72 libras de Pu-238 iban con la naves espacial Cassini. Se utilizara en Marte 2020, y en la misión Europa Clipper. Y por supuesto si queremos explorar los planetas Uranus y Neptunus sera necesario.

miguelmiguel

Hace poco Damiel publico un articulo sobre el proyecto de reactores de fision para sondas. ¿No seria mejor dedicar este dinero a desarroyar un reactor de uranio?, al fin y al cabo el combustible es mucho menos caro y se tendria la solucion definitiva.

U-95U-95

Lo malo también es que otro Pu-238 que se podía usar está ahora esparcido por todo Júpiter y Saturno, o -si algo queda- en algún lugar del Sistema Solar exterior alejándose además.

Tal y como está la cosa el problema con un reactor nuclear de ese tipo es de RP. Si ya se montó una buena con Cassini, con algo de ese tipo prefiero no pensarlo pero es la única alternativa para misiones grandes o vuelos tripulados y parece que al final va a acabar saliendo -los paneles solares acabarían por ser de tamaño tal que sería prohibitivo lanzarlos, y otras soluciones para usarlos son ciencia-ficción pura-.

Pere

La electrónica cada vez consume menos y los paneles cada vez son más eficientes; ¡Sorprende la baja eficiencia del termopar (6%)!.

El Curiosity podría haberse diseñado con paneles solares pero tardaría mucho más en terminar la misión debido a los tiempos muertos para recargar las baterías.

YepaYepa

Las tormentas de arena en Marte también afectan mucho a los paneles; en Spirit y Opportunity estas han llegaron ha rebajar de 700 Wh normales por día a 128 Wh. El RTG de Curiosity tras 14 años se espera que siga generando 2400 Wh/día.

El MMRTG de Curiosity también sirve para mantener la temperatura de los sistemas del rover con el calor que genera, Spirit y Opportunity necesitan de 8 RHUs (Radioisotope Heater Units) para ello.

El informe de la GAO señala como la NASA está trabajando en la mejora del rendimiento de los termopares desarrollando lo que llaman los eMMRTG que serían básicamente los actuales MMRTGs pero con el cambio de termopares de manera que para obtener 300 W fueran necesarios tan solo dos unidades (3,5 kg de Pu-238 de ahorro y 45 kg menos de masa en el lanzamiento).

U-95U-95

Cuando hablo de energía nuclear me refiero siempre al Sistema Solar exterior (Saturno y sobre todo más allá), no interior (Júpiter y más adentro, y hasta en Júpiter los paneles solares lo pasan mal por la elevada radiación que lo rodea) donde la energía no es tan problema.

Hay límites para usar paneles solares allí (cosa de 14W/m2 es la constante solar en Saturno, 100 veces menos que aquí) y aunque el rendimiento fuera realmente bueno y la electrónica consuma poco deberían seguir teniendo tamaños considerables (que en el futuro la electrónica gastara menos que un mechero al miniaturizarse mucho es otro tema). Por no hablar de cosas “serias” como esas naves de propulsión iónica que se han propuesto para estudiar Urano/Neptuno/la heliosfera sin tener que esperar (muchas) décadas para que lleguen.

También está el problema de la potencia del transmisor de a bordo. Cassini (sí, sigo teniendo mono de ella y de Saturno) tenía uno de 20W y el de las Voyager y la New Horizons van por ahí. Eso es algo que dudo que se pudiera bajar sin tener que construir antenas mayores que las de ahora (70m la mayor de Robledo de Chavela)

Pedro

No te olvides de lo que consume la calefacción a semejante distancia del Sol 😉

miguelmiguel

Creo que las ventajas superarían a las desventajas. Y hace un tiempo hubiese dicho que informando se podría convencer a la gente, ahora tengo claro que no.

NoelNoel

Un OFF TOPIC:

Daniel, ¿no sería posible poner algún post/blog/web en la que pudieses responder a preguntas directas (tú o cualquiera de los colaboradores, se entiende)?

Es que, a veces uno tiene una pregunta y, o invade un tema que no tiene nada que ver (como es el caso ahora mismo), o busca alguna respuesta en posts anteriores, sin esperanza de que los demás respondan, pues no creo que se suelan revisar mucho los comentarios nuevos en temas antiguos.

Comenté hace tiempo que ando escribiendo una novela SciFi y, a veces requeriría información adicional o cálculos que soy incapaz de hacer… y, claro, conociendo los portentos que por aquí pululan, no me apetece andar aguantando magufos y preguntando en sitios de, a mi juicio, menor credibilidad que éste blog, sino preguntaros a tí y a los demás dichas cuestiones. Pero me molesta “ensuciar” los temas a los que dedicas tanto tiempo con preguntas y dudas que nada tienen que ver con ese tema, más que el hecho de ser el último publicado y, por tanto, el que más atención recibe.

Si hubiese alguna solución al respecto, te estaría muy agradecido.

Gracias!

korikori

En realidad, en Radio Skylab prestan el “servicio” que solicitas. Le dedican un buen espacio de tiempo a responder dudas y, si no recuerdo mal, sin importar si es off-topic con respecto al tema del podcast. Lo malo es que están estirando las vacaciones muchísimo, jejeje y ni idea de cuándo vuelven, seguro que pronto. Saludos.

NoelNoel

Vale, me lo miraré. Pero, si de todos modos, decides hacer algo así en formato web, tipo foro o demás, cuenta con un participante fijo, jajajajaja.

Saludos

NoelNoel

Y, ya que estamos, la pregunta en este caso concreto es:

Estoy describiendo un sistema estelar con una estrella central algo mayor que el Sol, blanca (tipo Alpha Centauri A), cuya segunda órbita, en zona habitable a unos 190 millones de km, es una supertierra 2,5 veces mayor que la Tierra (pero, como se ha visto, con gravedad muy similar) que tiene dos planetas troyanos del tamaño aproximado de Marte.

En caso de ser un sistema orbital estable (no veo por qué no, porque se equilibrarían mútuamente en teoría)… ¿esos tres mundos tendrían acoplamiento? Es decir, los dos “martes”, ¿habrían quedado acoplados a la supertierra?

Es que, según entiendo, la energía gravitacional no se puede disipar sin más. El frenado de la Luna sobre la Tierra se traduce en un distanciamiento de la Luna, cada vez más lejos según la Tierra gira cada vez más despacio. Pero los dos troyanos hipotéticos que describo, no pudiendo alejarse por estar atrapados en una especie de depresión gravitatoria (los puntos L4 y L5), no sé si habrían perdido su rotación inicial, porque no pudiendo transformarse en distancia, la energía gravitacional (creo yo) debería ir rebotando entre los tres mundos, acelerandose y frenandose mutuamente y de forma cíclica.

No sé, ya te digo que esos cálculos ni siquiera es que se me escapen… Es que no llegaría a ellos ni soñando, jajajaja. Quizá lo que estoy diciendo es una estupidez y los tres mundos estarían acoplados como garrapatas, lo cual me obligaría a redefinir el clima y la biogeografia que les he atribuído.

Un saludo, y perdona por el tocho!

MortadeloMortadelo

A menudo se habla del delta-v que está muy relacionado con la energía necesaria para enviar cada kilogramo de una nave espacial de un punto a otro del Sistema Solar. Yo quisiera definir el delta-m como la cantidad de masa extra que necesito añadir a mi nave espacial por el hecho de pretender que ésta funcione o cumpla su cometido al viajar de la órbita baja terrestre a algún punto del Sistema Solar. Cuando una sonda viaja a Júpiter necesita paneles solares enormes y muy pesados. Hay un delta-m importante y esto repercute en la energía que necesito casi tanto como el delta-v. Más allá de Júpiter este delta-m es tan prohibitivo que debo recurrir a estrategias discutibles como los RTGs. Al menos los ecologistas discutirían los RTGs. El problema de las naves tripuladas es que este delta-m es mucho más acusado que el de una sonda. Gagarin en una órbita de una hora y media no necesitó ni comida ni agua ni casi espacio, sólo un poco de aire. En cambio si se pretende enviar un hombre a Marte aparece un delta-m enorme: muchos víveres, mucho agua, alguna habitación que sirva de sala de estar y gimnasio, etcétera. Y a todo este delta-m hay que aplicarle el delta-v.

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