Usando la atmósfera marciana en motores nucleares

Como todos sabemos, el verdadero problema para realiar una misión tripulada a Marte y más allá es la enorme masa de partida que requiere una nave espacial que use propulsión química convencional. Una forma de reducir esta masa es usar métodos de propulsión avanzados, como son por ejemplo los motores nucleares térmicos.

Versión alada de la nave NIMF de 1990 con motores nucleares térmicos (NASA).

Los motores nucleares son más eficientes -tienen un mayor impulso específico (Isp)- que los motores químicos, pero aún así es necesario transportar desde la órbita terrestre todo el combustible necesario para una misión. Sin embargo, los motores nucleares tienen una enorme ventaja y es que pueden usar como propelente prácticamente cualquier sustancia. Lógicamente, el siguiente paso es fácil de imaginar. ¿Y si empleamos como propelentes materiales que podemos encontrar fácilmente en Marte? De este modo podríamos mandar una nave con una masa inicial mucho más pequeña. Esta técnica de abastecimiento se conoce como ISRU (In Situ Resource Utillization) y es muy popular en las estrategias de exploración del planeta rojo con el fin de crear combustible para los sistemas de propulsión químicos.

Una nave con motores nucleares térmicos podría usar varios compuestos que se encuentran en Marte, un concepto que ya fue sugerido en los años 60. En 1991, el famoso Robert Zubrin (Mars Society) desarrolló este concepto bajo el nombre de NIMF (Nuclear Thermal Rockets using Indigenous Martian Propellants). La primera sustancia candidata es el dióxido de carbono, que forma el 95% de la atmósfera marciana. Este compuesto podría utilizarse como propelente una vez licuado, aunque en este caso el impulso específico no sería espectacular, de apenas 283-381 segundos -dependiendo de la temperatura del motor-, una cifra inferior incluso a la alcanzada por motores químicos criogénicos. Pese a todo, la facilidad con la que se puede extraer el dióxido de carbono desde cualquier punto de la superficie marciana compensa con creces el escaso Isp. Además, NIMF podría realizar varios saltos suborbitales para explorar distintas regiones del planeta antes de dirigirse a la Tierra.

Fases en una misión a Marte con NIMF (NASA).

Pero en Marte no sólo hay dióxido de carbono. En amplias zonas del subsuelo marciano abunda el permafrost, así que el agua es otro candidato ideal para su uso en motores nucleares. Usando este compuesto, el impulso específico podría subir hasta los 370-458 segundos, lo que no está nada mal, aunque sigue sin ser impresionante. El principal inconveniente es obviamente el despliegue de los equipos asociados al proceso de extracción. Pero si tenemos agua a nuestra disposición, lo ideal sería utilizarla junto con el dióxido de carbono para sintetizar metano. Este proceso adicional tiene una gran ventaja, y es que el Isp subiría hasta los 606-671 segundos, una cifra superior a la alcanzada por los motores químicos convencionales.

Usando esta tecnología, una nave NIMF de 40 toneladas podría alcanzar Marte con una masa de partida de 80 toneladas como mínimo. Siendo más realistas, lo más probable es que fuesen necesarios unos dos lanzamientos de un cohete gigante como el SLS, muy poco si lo comparamos con los seis o siete lanzamientos que requiere una misión convencional de acuerdo con los últimos planes de la NASA. Por supuesto, esta tecnología no se limita a misiones tripuladas o a Marte. De hecho, Zubrin propuso en su momento su uso para explorar Titán o Europa.

Versiones de NIMF para Titán (arriba) y Europa (abajo) (NASA).

En las dos décadas que han pasado desde que Zubrin propuso su NIMF, pocos avances se han producido en este terreno. La baja, por no decir nula, popularidad de los motores nucleares explica en parte este retraso. Y es una pena, porque a pesar de su excesivo optimismo, ideas como ésta son el futuro de la exploración tripulada del espacio.

Referencias:



34 Comentarios

  1. Tu lo has dicho Daniel, es una lástima que este tipo de propulsión no sea popular, de otro modo Marte sigue estando muuuy lejos, como muchos dicen o dijeron «Estamos a 20 años de viajar a Marte»
    Soy Horacio de Argentina, saludos.

  2. Mucho del problema está en la palabra «nuclear», que a más de uno con aires de ambientalista o simplemente que cree cualquier barbaridad que en materia de ciencia y tecnología dicen en los telediarios le pone los pelos de punta.
    «¿Cómo vamos a permitir que un reactor nuclear vuele sobre nosotros?, con peligro y se rompa al despegar o al reingresar y nos riegue con plutonio o ve tu a saber que cosa radioactiva!» … el mayor avance que puede haber en este sentido es encontrarle un nombre o acrónimo bonito que disfrace o utilice cualquier otra palabra que no tenga la palabra nuclear (así sea llamar a esos motores «propulsores WARP» o «condensadores de fluzo propulsivo» o que se yo… quizás eso contribuya a hacerlos populares pues está más que claro que solo esa clase de tecnologías podrán sacarnos definitivamente de LEO.

  3. Qué hay de esa ley o regla que se mencionaba en la serie «Cosmos» sobre que no se podían llevar artefactos nucleares al espacio? y que por esa razón era que no se podía avanzar hacia motores nucleares, a pesar de sus ventajas sobre los actuales.
    Saludos.

    1. La palabra «artefactos nucleares » se refería a bombas nucleares orbitales que en los sesenta se ensayaron a gran altitud (no en órbita ), por ejemplo la explosión Starfish prime (cabeza nuclear W49 lanzada por un Thor y detonada sobre el O. Pacífico el 9 de Julio de 1962)o un test similar de la URSS el 22 de Octubre de 1962 sobre Dzhezkazgan.
      Sagan sabía que mas allá de Marte es prácticamente indispensable (solo el último lanzamiento a Jupiter no es así)el uso de RTGs para producir electricidad y que en un futuro se podrian usar motores nucleares (principalmente con hidrógeno de propulsor) para vuelos lejanos, tripulados o no.

    2. Además no estando en la guerra fria, yo cero que si se hace a buenas en plan «oye que he desarrollado un motor nuclear para ir a Marte, ¿quieres que te deje una sonda allí?» no habría ningún problema incluso con los Chinos.

  4. Hombre, el principal problema es que la energía nuclear nunca ha sido barata, es la más cara de todas con enorme diferencia, considerando todos los gastos (la cosa es que se escamotean muchos a la hora de venderla). Ahora mismo incluso ya hay problemas para equipar con RTG a las sondas de espacio profundo, y se está sustituyendo la tecnología de termopares por motores stirling, porque el coste del combustible también se ha disparado.

    Después la logística de poner en órbita reactores de verdad no es ninguna coña, es muchísimo peso. El combustible también plantea problemas, los desechos supongo que se podían lanzar en órbita de transferencia al Sol desde ahí arriba xD.

  5. Bueno, a mi me gustaría proponer a Dani para que vaya a un comité de expertos que nos saque de esta puñetera crisis en la que de lo único que se habla es de números sin sentido y deudas. Datos fríos que no emocionan a nadie, solo a los banqueros. Si todo ese dinero desperdiciado en tonterías especulativas lo concentráramos en una conquista del Sistema Solar (sí, suena a locura pero más locura es ver lo que estamos viendo diariamente en esta jaula de grillos llamada Tierra) otro gallo cantaría. Entonces lo que aquí nos propone Daniel, no sería una quimera sacada de una novela de ciencia ficción. Iríamos a Marte en menos de 10 años, para establecer bases con el fin de empezar a obtener materias primas de allí. Otros objetivos serían la Luna y el Cinturón de Asteroides. Necesitamos proyectos ambiciosos para salir de esta depresión, metas que unan a los países y no los enfrenten en tonterías bélicas, religiosas o económicas (ejemplos de esto último sobran).
    Lamentablemente, como leemos en este blog a los líderes mundiales les importa más sanear a la banca que todo lo demás.

    1. Una serie de coincidencias (terremoto, tsunami,.. ) originó la catástrofe consistente en algunos muertos y contaminacion radiactiva; ¿que ocurre cuando un terremoto destruye una presa, o ciudades enteras? ¿cúantas víctimas hay ?

    2. Desde luego, para esos casos no habrá que esperar decadas para dejar de contar bajas y consecuencias, eso es verdad. Tomar el accidente de Fukushima como terminado y descontado en todos sus aspectos (social, económico, de salud…) si que es trivializar el asunto.

  6. Sin lugar a dudas la tecnología de fisión nuclear, tanto como medio de propulsión (nuclear térmico) como para generar energía (que podría ser utilizada para alimentar motores de plasmas, alguien dijo VASIMR, o iónicos), es ESENCIAL para el futuro de la exploración espacial si realmente queremos explorar el espacio profundos. Si no sigamos dando vueltitas alrededor de la Tierra en LEO y listo, y de paso le seguimos regalando NUESTRO dinero a los bancos inescrupulosos, para que una minoría muy minúscula viva como reyes mientras la humanidad de cae a pedazos.

    Por cierto Daniel, no se si has visto la última noticia sobre el ascensor espacial. Me suena a mas humo pero tal vez te daría la escusa para escribirte uno de tus excelentes artículos sobre el ascensor, un tema realmente apasionante.

    http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2012/02/120223_tecnologia_ascensor_espacio_aa.shtml

    Saludos!

    1. Yo también lo he visto pero me parece que es un copy-paste del de 2008 de otra agencia Japonesa ¿no? en fin, que ahora se les ha ocurrido poner un campo de futbol de paneles solares diciendo que serían miles de veces más potentes que aquí en la tierra…
      Lo que yo querría saber es la masa total que pretenderían poner en orbita antes de tener el trasto este colgando… CyFy puro

    1. Carlos (ea3hah) me sumo a esta petición.
      Si, ya se Daniel que a ti no te gusta mucho VASIMR, pero su isp promete ser muuuuuuuuy grande (si no me equivoco en torno a 10.000) Vale de momento esta en pañales, pero al menos estan trabajando en ello y quieren poner en un motor en la iss…Yo creo que con un poco de dinero y voluntad estos podrian llegar muy lejos.
      Saludos

  7. Pues la verdad es que es bien logico ¿Alguien se ha enterado de lo de Fukushima? ¿Sabeis que hemos estado a punto de una catastrofe muy superior a la de Chernobil? Y eso teniendo en cuenta que han habido fugas radiactivas de Fukushima incluidas los miles de toneladas de agua contaminada hacia el Oceano que nadie sabe con un minimo de certeza que efectos tendra en el futuro. Ahora trasladamos eso a poner reactores nucleares en lanzadores y a jugar a la ruleta rusa de que ninguno falle y se produzca una ecatombe……..Algunos por vuestros comentarios vivis en un mundo imaginario en el que solo estais vosotros.

    1. Cuando estudiaba realizaba pràcticas con contadores de radiación proporcional y Geiger.. por si no lo sabeis, un tubo detector de diámetro doble al de un bolígrafo detecta unas 8 a 20 cuentas por minuto en un ambiente normal . ¿creeis que estamos libres de radiactividad ? .Estais muy equivocados, el mundo imaginario es el vuestro, estamos rodeados de radón, de granito con uranio, de rayos cósmicos ,..y en nuestros tejidos se asienta tanto carbono-14 que se nos puede datar hasta mas de 100.000 años.
      Saludos, amigos radiactivos.

    2. Te refieres a radiación natural como la de el K de los platanos, ¿no? Es por aclarar términos. No es ni uranio enriquecido, ni plutonio, ni nada parecido,¿verdad?
      Es para saber en que grado de demagogia te mueves.

    3. La radiación no es natural o artificial (elementos químicos, entiéndanme), vamos que es igual de mala o de buena … las partículas son iguales (dicen los físicos) y varían en función de la energía que llevan (velocidad).

      Y en el espacio esta radiación es EL MENOR de los problemas.

      Otra cosa es que hay elementos químicos radiactivos que son de fácil asimilación por los seres vivos y capaces de emitir radiación.

      Por cierto en el centro de España hay más radiación promedio que al lado de algunas centrales nucleares ¿empezamos el desalojo? ¿es esto demagogia? etc

    4. «Y en el espacio esta radiación es EL MENOR de los problemas.»

      Me refiero a la radiación procedente de la desintegración de componentes radioactivos, porque aunque hay más cantidad no es tan energética como algunos «rayos cósmicos». La primera se puede contener, los segundos son complicados de parar (de hecho los hay más potentes que lo que el LHC puede generar).

    5. http://es.wikipedia.org/wiki/Radiactividad#Radiactividad_natural
      http://es.wikipedia.org/wiki/Radiactividad#Radiactividad_artificial

      Por cierto, si es demagogia cuando hablas de la radiación al lado de centrales nucleares o en montañas graníticas.
      1)por que no se habla de eso, si no de elementos como plutonio, cesio, Yodo, ó Uranio enriquecido.
      2) por que estaría bueno que se permitiera operar a las CN mientras emitien mas radiacción en su entorno cercano que la que naturalmente se puede dar en la superficie terrestre por radón o por otras causas.
      El peligro no es el funcionamiento normal de un sistema de fisión, si no que es estadisticamente imposible cubrir todas las contingencias de seguridad que puedan surgir.
      Por el mismo motivo, el peligro no es que un reactor nuclear opere en el espacio, si no que, para llegar allí ha tenido que ser lanzado, junto al combustible que lo alimenta, desde la superficie terrestre. Es decir, un fallo en el lanzamiento puede ser desastroso. Y con esto no quiero decir que esté en contra de la energía nuclear en el espacio. Es más, me parece mas aceptable que en la superficie terrestre, pero antes de lanzar un ingenio termico de fisión hay que estudiar muy bien cómo hacerlo para que no suponga un peligro para miles de personas. Y eso es justo lo contrário que trivializar el tem nuclear por que está claro que los accidentes ocurren, y cuando suceden, son de una gravedad tremenda.

    6. Perdonadme que me meta en el debate, pero un reactor nuclear sin activar no presenta ningún peligro, a diferencia de los RTGs que usan isótopos radiactivos. No habría problema pues a la hora de lanzar uno al espacio. Otro asunto distinto sería usar el motor nuclear durante el lanzamiento.

      Saludos.

    7. Sigo sin entender la diferencia que quieres mostrar entre natural y artificial ¿una partícula/radiación artificial es más peligrosa que la natural? porque si son e-(e+)/neutrones/gamma/núcleos de helio/… da igual cual sea su origen para resultar dañina.

      Creo que no es el tema del blog, pero un reactor de fisión es lo que es y se construyen para operar en circunstancias nominales; claro que no se diseñan para soportar una caida de un meteorito, pero es que nada se puede hacer completamente seguro.

      Sobre lanzar material fisionable, pues como todo … ¿o piensas que los combustibles de control de actitud de los satélites son saludables? ¿piensas que las sonda rusa que desgraciadamente reentro en la atmósfera llevaba agua destilada como combustible?. La radiación es mala (muy mala la ionizante) por la energía que portan las partículas, vengan de donde vengan. Y a lo que vamos, el plutonio es un «mal bicho» porque es radioactivo, pero sobre todo porque es fácilmente asimilable por los organismos vivos.

      Y repito, una central nuclear es una cosa muy mala, pero también lo son las que queman carbón, gas natural y si me apuras hasta las hidroeléctricas (mira que pasa con los sedimentos) … la pregunta es ¿hay alternativas? y si no las hay ¿dónde recortamos la necesidad energética?.

      Y repito, la radiación de un reactor en el espacio es como una gota de agua en el Atlántico.

    8. Aquí hay dos anónimos mezclados y yo, Hommer Simpson ,al que un anónimo llama demagogo; he dicho , y es verdad, que existe una radiación natural de fondo de origen variable (argon , uranio natural,carbono-14 , rayos cósmicos, K-40 y otros ). Numerosos accidentes «nucleares» de origen espacial ya han ocurrido (el reactor del Cosmos-954 cayó sobre Canadá; el NIMBUS-B cuyo lanzamiento fracasó,.. )y no se conocen víctimas ni daños importantes.los peligros de la energia nuclear no son superiores a los de rotura de una presa , hundimiento de edificios , escape de gases tóxicos (Bophal )o contaminancion en general ; es el precio del progreso.
      Se dijo que el plutonio almacenado en el Huygens-Cassini podria matar millones de personas, de la misma manera yo tengo en mi casa productos (lejia, salfuman,sal,sosa, detergente,.. )con la capacidad de matar a todo mi barrio..BASTA CON ADMINISTRARSELOS UNO A UNO.
      Dejémos estas tonterias, yo por mi parte abandono.
      Saludos, anónimo.

  8. Yo también comprendo las reticencias. Los residuos radioactivos duran muchísimo.

    Usar naves nucleares en el espacio interplanetario, en las zonas donde, por órbita, incluso aunque explotaran, quedarían fuera de una colisión… se puede admitir.
    Pero usarlos en nuestro planeta, con su hidrosfera, es un enorme riesgo medioambiental.
    En Marte… hay que pensárselo. Y es que ¿quien sabe si terraformaremos Marte?
    Incluso esos siglos pueden ser poco en comparación con la vida media de ciertos isótopos.

    En fin… Que no podemos trivializarlo.

  9. que tanto temor cienten por elhuso de la energia nuclear y se olvidan que por nuestras costas navenga adiario muchos varcos y submarinos nucleares y muchos de ellos cargados de armas yo para tener un submarino nuclear a sientos de quilometros de la costa perfiero tenerlo en el espacio a millones de kilometros. de distancia

  10. Luego de leer todos los comentarios me parece que llegan a una única conclusión: que la probabilidad de que un cohete-nave espacial-satélite falle es triplemente y directamente proporcional a la capacidad nuclear que tenga el motor o al generador que le pongan. Si mando una sonda con una fuente de americio para ionizar gases para un espectrografo no pasa nada, pero si monto un RTG de 500 KW seguro el cohete explota en la plataforma, y si tengo un motor como el NERVA seguro el cohete se desviara y explotara sobre la ciudad mas poblada de la tierra.

    Bueno, a seguir usando la tecnología de propulsión química que a claras luces ya no da para mas que lanzar una estación espacial desechable por piezas o lanzar una nave espacial que no cumplió absolutamente nada para lo que se diseño.

  11. Pues si Srengel, estamos acostumbrados a la típica teoría conspiranoide de siempre, cuando la realidad es mas simple, «las patatas fritas no engordan, engordan quien las consume»… la energía atómica, nuclear o como desee llamarse no es mas peligrosa que las manos que la manejan o dominan.
    Lo malo es que por culpa de ese miedo excéntrico, la tecnología nuclear esta anticuada, no hemos sido capaces de hacer mas que la fisión, me recuerda a lo que costo evolucionar científicamente en la edad media por culpa de la inquisición, siempre por h o por b, habrá detractores al progreso…

  12. Acabo de descubrir por que Daniel prefiere el cohete nuclear al VASIRM mantenido por un reactor( para los que se interrogan por que Daniel no es tan seguidor de este segundo), tiene una lógica aplastante el cohete solo seria radioactivo durante su funcionamiento y para el segundo estaría siempre encendido siendo siempre radiactivo, genial el enlace de este post, como toda la pagina, una vez mas chapo Daniel, me quito el sombrero.

  13. Soy Tomás Ríos y me uno con las mayores expectativas en la solicitud de información actual sobre VASIRM, avances en sus proyectos, fecha de lanzamiento para el VF-200, y los detalles de eficiencia y rendimiento de la opción del VASIRM alimentado fotovoltáicamente y de ser posible ver que tal darían los números con los nuevos paneles solares de alta eficiencia desarrollados recientemente (con el que 1 m2 bastan para el consumo de un hogar) por ejemplo, y si estos son factibles para el uso espacial… muchas gracias Daniel Marín por el esfuerzo y tu tu excelente blog. por favor atiéndenos.

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 23 febrero, 2012
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Marte • sondasesp