Proyecto Prometeo, la flota de sondas espaciales nucleares que nunca fue

Por Daniel Marín, el 3 febrero, 2014. Categoría(s): Astronáutica • Júpiter • NASA • Sistema Solar • Sondasespaciales ✎ 48

Después de renunciar al uso de reactores nucleares en el espacio durante décadas, la NASA decidió en 2003 cambiar radicalmente de estrategia y creó un ambicioso programa denominado Proyecto Prometeo que, de haber fructificado, podría haber revolucionado nuestro conocimiento del Sistema Solar. Porque el Proyecto Prometeo pretendía crear nada más y nada menos que una pequeña flotilla de enormes sondas espaciales alimentadas por reactores nucleares capaces de llegar incluso hasta el espacio interestelar.

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La sonda JIMO para el estudio de Júpiter y sus lunas debía haber sido la primera sonda del Proyecto Prometeo (NASA).

A pesar de que la NASA había usado ampliamente generadores de radioisótopos (RTG) a base de plutonio-238 en muchas de sus sondas y naves -incluyendo algunas misiones tripuladas del Programa Apolo-, el empleo de reactores nucleares se consideraba un anatema. El alto coste y complejidad de estos sistemas, sumado a su mala imagen ante la opinión pública habían sido las razones principales que justificaban tal decisión así. Bien es cierto que accidentes como la reentrada incontrolada del Kosmos 954 -un satélite militar soviético US-A dotado de un reactor nuclear- sobre Canadá en 1978 tampoco ayudaron mucho a popularizar la energía de fisión en el espacio.

Pero en 2002 la NASA dio un giro inesperado cuando creó la Iniciativa de Sistemas Nucleares (NSI) como respuesta a las limitaciones de los sistemas de propulsión tradicionales. La combinación formada por reactores nucleares y sistemas de propulsión eléctricos (NEP) iónicos o de plasma parecía ser la única opción viable para explorar el Sistema Solar exterior. Curiosamente, en la Unión Soviética y Rusia también se había elegido esta combinación dentro de numerosas propuestas, incluyendo los viajes tripulados a Marte. En noviembre de 2002 el administrador de la NASA Sean O’Keefe apoyó oficialmente el empleo de reactores nucleares de fisión para una nueva generación de sondas espaciales. Un año más tarde, el 18 de marzo de 2003, la NASA decidió cambiarle el nombre a la NSI por otro más contundente: Proyecto Prometeo (Project Prometheus).

JIMO

El primer objetivo del proyecto sería el desarrollo de una sonda para el estudio de Júpiter y sus lunas denominada JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter). JIMO sería la sonda más grande y pesada jamás lanzada. Con una masa al lanzamiento de 36 toneladas y 58 metros de longitud, JIMO superaba a cualquier sonda anterior. Como comparación, la gran sonda Cassini-Huygens tenía una masa al lanzamiento de solamente 5,8 toneladas. JIMO nació de la unión entre el recién nacido Proyecto Prometeo y los estudios de la misión JIMT (Jupiter Icy Moons Tour) que habían comenzado en septiembre de 2002. Su misión primaria sería estudiar de cerca los tres satélites más grandes de Júpiter, Calisto, Ganímedes y Europa. En concreto, el estudio de Europa y de su hipotético océano subterráneo era -y es- una de las prioridades de la comunidad científica internacional. En principio JIMO debía haber orbitado únicamente Europa, pero en 2003 la NASA decidió que la sonda también entraría en órbita alrededor de Ganímedes y Calisto aprovechando las fabulosas prestaciones del sistema de propulsión eléctrica.

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Diseño preliminar de JIMO (NASA).
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Objetivos de la misión JIMO (NASA).

JIMO debía ser una sonda plenamente operativa, pero también se creó como un prototipo para el resto de naves del Proyecto Prometeo. El vehículo estaba dividido en tres partes modulares: la carga útil, formada por los instrumentos científicos propiamente dichos, el sistema de propulsión eléctrico con los motores iónicos y el sistema de producción de energía formado por un reactor nuclear de fisión, un sistema de conversión para transformar el calor generado por el reactor en electricidad, un escudo contra la radiación y un conjunto de radiadores para disipar el calor sobrante. El reactor y el sistema de propulsión se denominaron conjuntamente como DSV (Deep Space Vehicle), mientras que el módulo de la carga útil sería conocido como PAE (Payload Accomodation Envelope) y en él se podría transportar hasta un mínimo de 1500 kg de instrumentos científicos. No parece mucho, hasta que tenemos en cuenta que la carga útil de la Cassini no superaba los 600 kg. En teoría, el diseño modular permitiría reciclar el DSV para otras misiones a diferentes partes del Sistema Solar sin llevar a cabo cambios significativos en el diseño.

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Elementos principales de JIMO (diseño preliminar) (NASA).
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Diseño final (PB-1) de JIMO antes de ser cancelado en 2005 (NASA).

El sistema de propulsión tendría una masa de unas 18 toneladas y usaría entre 8 y 12 toneladas de xenón como propelente para ocho motores iónicos de alto impulso específico (del orden de 6000-8000 segundos). De hecho, uno de los legados del Proyecto Prometeo fue el desarrollo de una nueva generación de motores iónicos que sobreviviría dentro del programa NEXT de la NASA.

La clave del Proyecto Prometeo y de la misión JIMO pasaba por desarrollar un reactor nuclear fiable. Antes de ser cancelado, el equipo del proyecto estudió varias configuraciones y optó por un reactor de fisión de tipo rápido -más compacto- con reflectores de neutrones externos para controlar la criticidad. Para el sistema de refrigeración se estudiaron configuraciones que hacían uso de gases o metales líquidos (NaK), pero la clave era el sistema de conversión de calor a electricidad. Los primeros reactores nucleares espaciales diseñados en los Estados Unidos y la URSS usaban sistemas de conversión rudimentarios sin partes móviles para simplificar el diseño, pero la escasa vida útil de estos sistemas limitaba el tiempo de funcionamiento del vehículo. Esto no era un problema muy grave para misiones a la órbita baja, pero hacía imposible el empleo de reactores en una sonda espacial al Sistema Solar exterior. El sistema de conversión dejaría de funcionar mucho antes de llegar a Júpiter o a Neptuno.

El reactor de JIMO generaría medio megavatio de potencia en forma de calor y se esperaba aprovechar entre 50 y 300 kilovatios en forma de electricidad. El proyecto estudió sistemas de conversión termoeléctrica avanzados y generadores de tipo Stirling o Brayton, estos últimos dotados de partes móviles. En el diseño preliminar de JIMO se optó por emplear un generador de tipo Brayton capaz de proporcionar un mínimo de 200 kilovatios de electricidad. El reactor y el generador estarían situados en el extremo de un mástil plegable de 43 metros de longitud para minimizar las dosis de radiación sobre los instrumentos y la electrónica de la sonda y  a ambos lados del mástil se desplegarían los radiadores de la nave.

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Reactor nuclear de JIMO y el Proyecto Prometeo con su sistema de conversión de acuerdo con la configuración final de 2005 (NASA).
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Masa del reactor en función del tiempo de vuelo de la misión (NASA).
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Elementos del sistema de propulsión de JIMO según el diseño final de 2005 (NASA).

Para evitar una catástrofe medioambiental en caso de accidente durante el despegue, el reactor sería lanzado inactivo. En este sentido, un reactor de fisión espacial es más seguro que un RTG, que ya cuenta con isótopos altamente radiactivos en su interior en el momento del lanzamiento. El reactor sólo se activaría una vez alcanzada la velocidad de escape y mientras tanto la sonda usaría baterías y/o unos pequeños paneles solares. Además el reactor estaría rodeado de un escudo térmico de ablación con el fin de garantizar su supervivencia incluso si la sonda quedaba varada en una órbita baja y se veía obligada a hacer una reentrada en plan Kosmos 954.

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Escudo térmico para el reactor de fisión del Proyecto Prometeo (NASA).

Estudiando Júpiter y sus lunas con JIMO

Gracias a la electricidad sin límites proporcionada por su reactor, JIMO dispondría de 17 instrumentos (!) con un alto consumo energético. El más llamativo sería un potente radar de apertura sintética para el estudio del océano de Europa y del subsuelo del resto de satélites galileanos con excepción de Ío, pero también incluiría espectrómetros dotados de potentes láseres que vaporizarían la superficie helada de los satélites, sensores activos de plasma y, por supuesto, todo tipo de cámaras. Las cámaras deberían alcanzar una resolución sin precedentes -de hasta 25 centímetros por pixel- mientras la sonda estuviese situada en órbita de los tres satélites galileanos. JIMO no orbitaría Ío por culpa de las elevadas dosis de radiación que existen en sus cercanías, pero podría discernir detalles de hasta un kilómetro observando desde la órbita de Calisto. Por supuesto, Júpiter y su atmósfera también serían objetos de estudio y la sonda sería capaz de ver detalles atmosféricos de hasta diez kilómetros también desde Calisto.

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Conjunto de instrumentos de JIMO (NASA).
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Lista de instrumentos científicos de JIMO (NASA).

En 2004 se sugirió reservar un 25% de la carga útil -unos 375 kg- para acomodar una pequeña sonda de aterrizaje en Europa denominada ESSP (Europa Surface Science Package), aunque no se logró avanzar demasiado en el diseño de este elemento de lamisión. Finalmente, en octubre de 2004 el proyecto pasó un hito decisivo cuando Northrop-Grumman fue elegida contratista principal de JIMO y presentó el diseño PB-1 (Prometheus Baseline 1) que debía servir como base para futuras sondas del Proyecto Prometeo. Previamente, Lockheed-Martin, Boeing y varios equipos independientes de la NASA habían llevado a cabo estudios de diseño preliminares. Para aumentar la confusión con la nomenclatura, el vehículo DSV con el conjunto de instrumentos de JIMO recibió el nombre de Prometheus 1 Spaceship (JIMO se mantuvo como el nombre de la misión).

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Diseño final (PB-1) de JIMO antes de ser cancelado (NASA).

Según el plan original, JIMO despegaría a principios de 2015 (inicialmente se propuso 2011). Debido a su enorme masa (35,1 toneladas al despegue, incluyendo 6,1 toneladas del reactor) no quedaba más remedio que usar un lanzador de gran tamaño aún por construir (Ares V) o un esquema de múltiples lanzamientos. Tras un vuelo interplanetario de seis años entraría en órbita alrededor de Júpiter en 2021. Usaría su sistema de propulsión y la gravedad de Calisto para circularizar su órbita paulatinamente, y a principios de 2022 entraría en órbita alrededor de esta luna. El tour por el sistema de Júpiter duraría entre cuatro y seis años. Una vez completado el estudio de Calisto se dirigiría a Ganímedes, el mayor satélite del Sistema Solar y después de pasar una temporada en órbita pondría rumbo a su destino final, Europa. Esta secuencia de encuentros venía dictada por las altas dosis de radiación que existen alrededor de Europa. JIMO no podría sobrevivir indefinidamente a estas dosis letales incluso contando con sistemas fuertemente protegidos contra la radiación, así que el final de la misión tendría lugar casi con total seguridad a finales de 2025.

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Posible configuración de lanzamiento de JIMO con dos etapas superiores (NASA).
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Secuencia de vuelo interplanetario hasta llegar a Júpiter (NASA).
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Inserción orbital en Júpiter (NASA).
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Secuencia de la misión de JIMO (NASA).

Prometeo a la conquista del Sistema Solar

JIMO sería la primera sonda del Proyecto Prometeo, pero la NASA planeaba lanzar varias misiones aprovechando esta tecnología. Se identificaron tres posibles misiones para el proyecto. Además de JIMO (Prometeo-J), en 2018 debería despegar Prometeo-S, una sonda gemela para el estudio de Saturno y sus lunas, con especial énfasis en Titán. Alrededor de 2020 sería lanzada Prometeo-K con el fin de orbitar Plutón y Caronte, además de varios cuerpos del Cinturón de Kuiper. Prometeo-K podría usar el mismo reactor de JIMO y Prometeo-S o, a ser posible, un nuevo reactor más potente con capacidad para generar un megavatio de potencia eléctrica. También se estudió la misión Prometeo-N para, lo han adivinado, el estudio de Neptuno y sus lunas. Pero la misión más espectacular sería Prometeo-I, una sonda interestelar para el estudio de la heliopausa que usaría un sistema de propulsión eléctrica o nuclear térmica con el objetivo de llegar, como mínimo, hasta 200 unidades astronómicas (30000 millones de kilómetros) del Sol . Otras misiones propuestas incluían la recogida de muestras de uno o varios cometas o asteroides

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Misiones del Proyecto Prometeo (NASA).

Prometheus 1 y VSE

A principios de 2004 el Proyecto Prometeo se hizo aún más ambicioso al quedar enmarcado dentro de la nueva Visión de la Exploración Espacial nacida a instancias del presidente George W. Bush como respuesta al accidente del transbordador Columbia en 2003. Ahora Prometeo no sólo diseñaría sondas propulsadas por reactores nucleares, sino que también desarrollaría RTGs de nueva generación y reactores para misiones tripuladas. Desgraciadamente, al mismo tiempo que se ampliaban los objetivos de Prometeo quedó patente que JIMO era una misión demasiado compleja para el presupuesto de la NASA. A finales de 2004 se decidió lanzar primero una misión más pequeña y simple denominada Prometheus 1. Esta sonda despegaría en 2013 o 2014 y serviría para demostrar las tecnologías asociadas con Prometeo, especialmente todo lo referido al reactor y a su sistema de conversión de electricidad.

Se propusieron varios objetivos para Prometeo 1, como el estudio de la Luna, Marte, Venus o los asteroides cercanos. En 2005 ya estaba claro que JIMO debería esperar a 2017 como muy pronto, por lo que la NASA consideró lanzar antes una sonda a Europa usando RTGs convencionales. Todavía estamos esperando que un proyecto de este tipo sea aprobado.

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Diseño final de JIMO de 2005 (NASA).

El fin

Como otras tantos proyectos grandiosos de la era espacial, el Proyecto Prometeo fue cancelado sin hacer mucho ruido en el verano de 2005. Para entonces la NASA ya había gastado 464 millones de dólares en el programa, a lo que hubo que sumar 90 millones adicionales en concepto de compensación por los contratos que fueron cancelados. El Proyecto Prometeo desapareció para siempre y con él se perdió una magnífica oportunidad de crear de una vez por todas un sistema de propulsión capaz de abrirnos las puertas del Sistema Solar.

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Por Daniel Marín, publicado el 3 febrero, 2014
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