Kilopower: un reactor nuclear para misiones interplanetarias de la NASA

La energía nuclear en el espacio se ha usado principalmente mediante generadores de radioisótopos (RTG) que convierten el calor de la desintegración de un isótopo radiactivo en electricidad. Por contra, el empleo de reactores nucleares de fisión ha sido mucho más limitado. La Unión Soviética llegó a lanzar casi 35 reactores de tipo Buk (BES-5) y del tipo TOPAZ (TEU-5 Tópol), destinados principalmente a alimentar los satélites US-A que tenían como objetivo detectar buques de la armada estadounidenses (principalmente grupos de portaaviones) mediante radar. Como comparación, oficialmente los Estados Unidos solo han puesto en órbita un reactor nuclear, el SNAP-10A, en 1965. Sin embargo, a pesar de todo su potencial, la energía de fisión nuclear ha quedado marginada en la conquista del espacio desde hace décadas (y eso sin entrar en el malogrado sueño de la propulsión nuclear térmica, que merece un análisis por separado).

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Concepto de sonda nuclear para estudiar Saturno (NASA).

En Estados Unidos el intento de resucitar el empleo de reactores nucleares para sondas interplanetarias dentro del proyecto Prometeo a principios de este siglo terminó en un sonoro fracaso. En la actualidad solo Rusia está desarrollando oficialmente un reactor nuclear para usos espaciales, pero lamentablemente la falta de un objetivo claro y su alto coste ha impedido que se haga realidad (lo último que hemos sabido del proyecto es su posible aplicación a un satélite de guerra electrónica). Pero nuevos vientos soplan desde el otro lado del Atlántico que apuntan a un renovado interés en reactores de fisión. El culpable es el programa Kilopower.

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Diseño del reactor Kilopower (NASA).

Antes de nada, cuidado, porque no estamos hablando de un simple estudio sobre papel. El programa Kilopower está a cargo del centro Glenn de la NASA y el famoso Laboratorio de Los Álamos (LANL). Nacido en 2015, el proyecto ha avanzado rápidamente y se espera haber probado el sistema de fisión en el Nevada National Security Site antes de que finalice este año. El objetivo es crear reactores de fisión capaces de producir entre uno y diez kilovatios de potencia eléctrica que puedan alimentar todo tipo de sondas espaciales y, ya puestos, bases tripuladas en la Luna o Marte. Sin duda el objetivo declarado de la NASA de poner un ser humano en la superficie de Marte alrededor de 2040 ha ayudado a resucitar esta tecnología. Otra ventaja es que permite a la NASA no depender tan fuertemente en la producción de plutonio-238 para los RTG, un isótopo muy escaso y caro que solamente puede usarse con esta finalidad.

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Prototipo térmico del reactor (sin reacciones nucleares) durante las pruebas de vacío con las tuberías de sodio a más de 800 ºC (NASA).

Un reactor de fisión permitiría suplir las enormes necesidades energéticas de una hipotética colonia lunar o marciana, especialmente si se hace uso de tecnología ISRU, gracias a sistemas más compactos y fáciles de desplegar en la superficie que los paneles solares. Pero, ¿qué tiene este proyecto que lo diferencie de todos sus fracasados antecesores? Principalmente que usaría una menor cantidad de uranio enriquecido (o sea, con una elevada proporción de uranio-235 con respecto al uranio-238), lo que permitiría evitar muchas barreras políticas y militares asociadas con el manejo de grandes cantidades de uranio enriquecido (HEU). Otra diferencia es el sistema de conversión eléctrica, que estaría basado en motores de tipo Stirling (por tanto, con partes móviles). Esto explica que un prototipo del reactor ha sido denominado KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY).

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Propuesta de sonda para el estudio de Saturno, Encélado y Titán con un reactor de 1 kW. Los paneles solares de la parte inferior alimentan una etapa desechable de propulsión solar eléctrica (SEP) con motores iónicos o de plasma (NASA).

Además de colonias lunares y marcianas, este reactor sería ideal para sondas interplanetarias. Como ejemplo, el centro Glenn de la NASA ha estudiado una variante de la propuesta de misión TSSM (Titan Saturn System Mission) de 2010 con un reactor Kilopower de un kilovatio de potencia eléctrica. El reactor permanecería inactivo hasta después del último sobrevuelo de la Tierra, eliminando así cualquier riesgo de contaminación de nuestro planeta. Una vez en Saturno la sonda estudiaría el sistema durante quince años, realizando dieciséis sobrevuelos de Titán y siete de Encélado, durante los cuales se soltaría una sonda de aterrizaje y un globo en Titán. La sonda terminaría su misión en órbita de Titán durante unos veinte meses para trazar un mapa de la luna en alta resolución mediante radar. El uso del reactor permitiría usar todos los instrumentos de la nave al mismo tiempo, aunque la pega es que la sonda sería más pesada y, por lo tanto, tardaría dos años adicionales en llegar a Saturno. Una solución pasaría por usar un reactor de diez kilovatios que también alimentase una etapa de propulsión iónica adicional para llegar hasta el planeta anillado y no emplear la etapa SEP (solar) que estaba prevista.

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Propuesta de sonda nuclear para estudiar Quirón (NASA).

Otra propuesta es una sonda para orbitar Quirón, un cuerpo intermedio entre un asteroide y un cometa con una órbita muy excéntrica cuyo estudio promete arrojar luz sobre la formación del sistema solar. En este caso un reactor de ocho kilovatios (con 75 kg de uranio) permitiría llegar a Quirón en trece años y estudiarlo en detalle durante un año, gracias una vez más al uso de una etapa con motores iónicos o de plasma. La sonda tendría una masa de cuatro toneladas y sería lanzada en un cohete Atlas V 551. La versión con generador de radioisótopos sería más ligera (1300 kg), pero más cara y limitada que la variante con un reactor nuclear. Una ventaja similar la podemos ver en la propuesta para estudiar el objeto del cinturón de Kuiper 2001 XH255. En concreto, el uso de reactores nucleares de fisión permite obtener un 100% de potencia adicional con solo un 20% de masa extra.

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Sonda nuclear para estudiar un objeto del Cinturón de Kuiper (NASA).

Pero quizás el uso más interesante de este tipo de reactor esté en Marte. Un reactor de diez kilovatios ayudaría a que una tripulación de entre cuatro y seis astronautas pudiera sobrevivir en Marte cerca de quinientos días (los requisitos de la antigua arquitectura DRA 5.0 de la pasada década), además de servir para generar oxígeno líquido como comburente a partir del dióxido de carbono de la atmósfera. Idealmente, cuatro reactores de diez kilovatios de 1800 kg cada uno permitiría generar toda la electricidad necesaria para una base marciana (o bien uno solo de cuarenta kilovatios).

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Prototipo de aterrizador marciano con una planta nuclear ISRU para generar oxígeno líquido a partir del CO2 de la atmósfera (NASA).
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Cuatro reactores de diez kilovatios servirían para alimentar una base tripulada en Marte (NASA).
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Detalle del reactor Kilopower de diez kilovatios con el radiador desplegado (NASA).
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Concepto de reactor móvil marciano de 40 kW (NASA).

En cuanto a la seguridad, que siempre es la cuestión que surge cuando hablamos de reactores nucleares en el espacio, recordar que un reactor inactivo es, dependiendo de la cantidad de material fisible que tenga, menos ‘peligroso’ y radiactivo que un RTG. La exposición de los astronautas a la radiación del reactor es evidentemente un problema, pero las dosis de radiación natural que ya soportaría una tripulación en un viaje a Marte es tan elevada que la contribución de un reactor adecuadamente apantallado es casi despreciable (casi). En cualquier caso, el principal obstáculo para que estos bonitos proyectos vean la luz es económico. Y mejor no hablemos de la fuerte oposición a la energía de fisión que existe entre la opinión pública occidental. A pesar de que el uso de reactores nucleares en el espacio no tiene nada que ver con su empleo en la Tierra, me temo que la batalla de la imagen la podemos dar por perdida antes de empezar.

Concepto de sonda nuclear para estudiar Saturno (NASA).
Otro concepto de sonda nuclear para estudiar Saturno (NASA).

Referencias:

  • https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20160012354.pdf
  • https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20170002010.pdf


104 Comentarios

  1. el VASIMR está tardando mucho, si.
    En mi opinión los motores iónicos son como los de gasolina, para correr y el VASIMR sería como los diesel, para empujar grandes cargas por su variabilidad del empuje.

    1. He tenido predilección por el vasimr porque, a ver, es de impulso específico variable

      El punto es que no tiene un impulso específico bajo respecto muchos motores iónicos pero

      A ver Daniel Marín definió en uno de los programas de radio skylab, el impulso específico como la velocidad que se puede alcanzar por masa de propelente olvidandose de la energía requerida
      Si solo nos fijamos en la velocidad y la cantidad de propelente y suponemos una fuente de energía ilimitada el Vasimr sería el motor con mayor impulso específico de todos dado que es escalable y se puede hacer uno de 200 megaWatios (y está diseñado y todo)

      Ahora si se cuenta la energía junto la masa de propelente es superado por muchos iónicos y el más eficaz es el de doble capa que trabaja la ESA (DS4G)

      El vasimr precisamente puede tener un rango de relación masa de propelente energía y velocidad alto por lo que es de impulso específico variable y por eso es atractivo
      Pero más allá hay otros motores

      Yo creo que en lugar de apostar al vasimr como único motor se deberían de usar varios a la vez en la nave según el rango de funcionamiento requerido y combinarse incluso. De forma que unos den lo que no da otro

      Creo que VASIMR y DS4G ( http://www.esa.int/gsp/ACT/pro/projects/ds4g_overview.html ) Sería una excelente opción si se tuviera una fuente de potencia muy potente (para mí o bien fusión nuclear con helio 3 exclusivamente sin conversiones ni neutrones y posible de hacer si se tuviera el combustible 😛 pega, Fusión de deuterio tritio en fusor pequeño de escritorio que consume más de lo que da y lanza neutrones para que estos rompan material de residuos radiactivos alrededor suyo con baja actividad propia -me parece ideal para bases espaciales y para transportes- o fisión normal y moliente como la propuesta si no hay más y mientras se consigue He3 de la Luna)

      También hace unos meses que se probó un pequeño motor con electrodos que consume mucho tanto energía como propelente pero da mucho empuje (se ha propuesto que muchos de ellos metidos en un dirigible tal vez puedan sacar de la atmósfera terrestre una pequeña carga)

      Esto son 3 motores que operan en rangos diferentes uno de corto tiempo com mucho de todo pero sin ser químico, otro que tiene un rango muy alto al ser variable (vasimr) y otro motor que tiene otro rango de funcionamiento (DS4G) ¿por qué no utilizar una combinación de los 3 en la misma nave según maniobras a realizar en lugar de confiarlo todo a un único tipo de motor?

      1. Me cito
        —-
        El punto es que no tiene un impulso específico bajo respecto muchos motores iónicos pero
        —-

        Quería decir que sí tiene un impulso específico más bajo que otros motores iónicos

        Perdón…

  2. En otros tiempos los proyectos se empezaban sin ponerse a hacer tanta publicidad, ahora como que solo quisieran escribir paper a granel sin esperanzas siquiera de ser tomados en serio. Yo que escribi uno solo y ya estan que me lo aprueban.

  3. Estoy de acuerdo en que hay un cierto peligro, ¿pero tenemos alternativa, si queremos ir más lejos y más rápido? Sólo de pensar en el tamaño y peso de los paneles solares para potencias de varios cientos de KW se me ponen los pelos de punta…

    Una preguntilla para Daniel ¿Cuanto pesaría un reactor de unos pocos MW de potencia eléctrica? ¿Es escalable KRUSTY r a esos niveles de potencia?

    Imaginad una nave con un reactor de varios MW y motores iónicos altamente eficientes…

  4. Si alguna vez queremos ir en serio mas alla de LEO o de la orbita lunar, hay que conseguir dos retos:
    1) rebajar el precio del kg puesto en orbita, de eso se esta encargando SpaceX y veremos si se baja el precio (la lógica parece decirnos que sí, que si el propelente solo es el 3% del costo de un vector, la reutilización bajara el acceso al espacio)
    2) uso de energía nuclear. Sí o sí hay que recurrir a una fuente de energía de gran capacidad. Aunque para la zona Tierra-Marte los paneles solares pueden servir, para mas lejos ya no es la mejor opción.

    La radiación en el espacio ya es bastante grande, un poco que pda producir un reactor no ha de preocuparnos. Y como muy bien se ha explicado hasta que no se arranca es inocuo

  5. Noel, no tengo los conocimientos para responder a tus preguntas…pero si me haz dejado impresionado con tu propuesta de propulsión magnética…ojalá que alguien con conocimientos o el propio Daniel, se animen a responder pues me parece una idea increíble…

    s2

  6. Lástima que nunca llegaremos a ver una sonda de este estilo.

    El “lobby” antinuclear hace mucho ruido, y estará siempre en contra de este tipo de energía, aunque con ello se incremente la utilización del carbón y a saber donde acabará el aumento del C02 atmosférico, una herencia envenenada para los próximos miles de años, pero como la mayoría no va a estar, le importa bastante poco o nada el asunto, ya lo “arreglarán” otros.

    Así que estarán siempre a lo suyo, amparándose en varios accidentes (alguno de ellos si, muy muy grave), pero sin tener en cuenta que algunas alternativas son incluso peores, y que por mucho que se investigue, seguiremos anclados a explorar unicamente el sistema solar hasta Saturno como muy lejos, dejando de lado el podr enviar sondas un poco más lejos.

    Es una pena, pero no se puede discutir, como si se dice misa, seguirán protestando por todo lo que sea nuclear. Más o menos como con los transgénicos.

  7. “La exposición de los astronautas a la radiación del reactor es evidentemente un problema, pero las dosis de radiación natural que ya soportaría una tripulación en un viaje a Marte es tan elevada”

    ¿Ya estamos otra vez con el mito de la radiación? La radiación durante un viaje a Marte es aproximadamente el doble que en la ISS.

    https://www.youtube.com/watch?v=sFHQlobJbwY

      1. Sí que están bien estudiados. Son los mismos que se han recibido en la Mir y la ISS durante décadas, y en la superficie de la Tierra durante millones de años.

      2. No se si tendrá algo de verdad o hasta donde lo sea, pero había leído que se podía conseguir una buena protección un tejido a base de nanotubos de nitruro de boro hidrogenados y una especie de espuma a base de bismuto

        ¿tiene sentido?

        1. Ninguno. Los rayos cósmicos galácticos son demasiado energéticos para detenerlos con un blindaje ligero. Los solares sólo son de temer durante una tormenta solar, pero en esos casos basta con meterse en un refugio como el de la ISS (básicamente, meterse en la despensa, rodeado de las reservas de agua).

          1. Gracias por el interés… Bueno…

            ¿y tener el propelente además del agua alrededor en las paredes de toda la nave espacial? ¿y los tanques de propelente en la zona trasera y algo de lateral?

            Si el agua puede detener partículas y suficiente radiación del Sol ¿no puede el blindaje adecuado?

            ¿los que vienen de fuera no son frenados lo suficiente por la atmósfera de la Tierra y por el campo magnético terreste?

            ¿se supone que nada puede frenarlos se haga lo que se haga? Bueno en ese caso recibimos ya un buen pico y no sería mucho más con otro blindaje… Depende del blindaje y de lo efectivo que sea respecto la atmósfera y/o un escudo magnético artificial. De poder ser viable, claro

            Y si puede, pues tal vez con materiales adecuados y métodos se podría conseguir algo parecido a la protección que da la Tierra o no…

          2. Creo que ya lo he comentado antes, pero bueno. Tanto en la ISS como en muchos diseños de misión a Marte, los astronautas se refugian en la despensa de la nave durante las tormentas solares. Una capa de unos 25 cm de agua a su alrededor es suficiente. Para los rayos cósmicos galácticos se necesitaría un kilómetro o dos de espesor para pararlos significativamente, así que no se hace.

            La atmósfera terrestre y los cinturones de Van Allen paran gran parte de la radiación solar, pero no toda. La atmósfera terrestre también para buena parte de la galáctica (los cinturones apenas). Para la tripulación de la ISS, lo que detiene los rayos cósmicos galácticos es la propia Tierra. Ésta ocupa la mitad del cielo de la ISS y bloquea por tanto la mitad de la radiación como un inmenso escudo de roca. En una misión interplanetaria no se bloquea esa mitad de la radiación. En la superficie marciana sí (junto con algo que para la atmósfera).

            Por otra parte, aunque los galácticos son muy potentes, son pocos en número. Además, por su gran potencia, la inmensa mayoría atraviesa el cuerpo humano sin llegar a chocar con ningún átomo.

            Para que te hagas una idea, una célula humana corriente, en una persona corriente, en la superficie de la Tierra, sufre alrededor de un millón de mutaciones por día, la inmensa mayoría de las cuales corrige. http://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-damage-repair-mechanisms-for-maintaining-dna-344

          3. Gracias por los comentarios. No se porque pero no me da a responder a todo

            Mirando por la red me he encontrado este vídeo (nombra también eso del agua y curiosamente ese material que leí en un libro)

            https://www.youtube.com/watch?v=zUWDiW-ljJI

            Veremos como acaba…

            También es curioso como enfocan a medicamentos o algo que mejore la capacidad de los humanos. O los estudios de scott Kelly y gemelo y como no metilaba el ADN y se alargaban telómeros en la estación espacial y volvió a su estado normal al regresar a Tierra. Es decir que el organismo como que sí tenía algunos recursos de protección que se activan a causa de la agresión… Algo es algo

            A ver que da el tiempo, la experiencia…

  8. El problema en Fukushima fue que el núcleo quedó expuesto a la atmósfera. La entrada de agua hizo que se acumulara hidrógeno y que explotara. Esta combinación podría fácilmente haber arrojado toneladas de material radioactivo en forma de polvo a la atmósfera y en dirección a Tokio, una de las ciudades más pobladas del planeta…

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 27 septiembre, 2017
Categoría(s): ✓ Astronáutica • NASA • Sistema Solar