Usando propulsión nuclear para viajar a Marte desde la estación Gateway

Por Daniel Marín, el 3 octubre, 2019. Categoría(s): Astronáutica • Marte • NASA ✎ 227

Aunque la Luna es el destino oficial para la NASA a corto y medio plazo, Marte sigue siendo su objetivo final. Los últimos planes concebidos para alcanzar el planeta rojo hacen uso de la estación lunar Gateway y el sistema SLS/Orión, pero, debido a las limitaciones de carga del cohete SLS, se requieren múltiples lanzamientos de este lanzador para llegar a Marte. Una solución es apostar por sistemas de propulsión más eficientes que la propulsión química tradicional. Después de la propulsión iónica o de plasma, el siguiente tipo de propulsión más popular es la propulsión nuclear térmica (NTP), a pesar de que nunca se ha probado en el espacio. Este sistema consiste en hacer pasar un fluido —normalmente hidrógeno o metano— alrededor o a través de un reactor nuclear para que las altas temperaturas del mismo eleven su temperatura y se alcance una alta velocidad de escape y, por consiguiente, una alta eficiencia (o, mejor dicho, impulso específico, Isp).

Nave marciana tripulada con propulsión nuclear (NASA).

El uso de NTP en un viaje marciano supondría una ventaja considerable, aunque no se trata de un sistema de propulsión mágica como algunos creen. Pero veámoslo con cifras concretas. El viaje de ida o vuelta a Marte usando propulsión química viene dado por el tiempo que tarda una nave en recorrer una trayectoria de Hohmann, que es la órbita que menos Delta-V requiere. Este tiempo depende de la ventana de lanzamiento concreta, pero suele ser del orden de 200-300 días para una misión de tipo conjunción, que lleva asociada una estancia en la órbita o superficie de Marte de unos 500-600 días. El uso de NTP permitirá, para una misma carga útil, reducir el tiempo de vuelo a unos 120-160 días, o sea casi la mitad (el tiempo exacto depende de las características precisas del motor). No obstante, las arquitecturas con NTP suelen preferir sacrificar parcialmente la ventaja en la reducción de tiempo para poder llevar algo más de carga hasta el planeta rojo.

La NTP permite reducir el tiempo de vuelo a Marte (NASA/Aerojet Rocketdyne).
Detalle de la nave marciana tripulada con propulsión nuclear (NASA/Aerojet Rocketdyne).

Desde 2016 la empresa Aerojet Rocketdyne, famosa por sus motores para lanzadores espaciales, y la NASA ha propuesto una arquitectura para llegar a Marte en 160 días usando NTP. La nave tripulada estaría formada por cinco elementos: un hábitat para la tripulación, un módulo propulsor NTP con tres motores nucleares de nueva generación y tres tanques de propelente (hidrógeno líquido). Los cinco elementos tendrían todos una masa de unas 44 toneladas y serían lanzados mediante un SLS Block 2 (una futura versión del SLS que no se sabe cuándo entrará en servicio). Las cinco piezas de la nave marciana despegarían sin tripulación con una separación de 180 días entre cada misión y se ensamblarían en la estación Gaeteway, situada en una órbita NRHO alrededor de la Luna. Por eso cada elemento contaría con su propio sistema de propulsión hipergólico y paneles solares para dirigirse hacia la Luna. Los tanques de propelente emplearían un sistema de refrigeración activo para mantener las temperaturas criogénicas y evitar que el hidrógeno se evapore.

Detalle de la nave marciana y sus elementos (NASA).

Una vez la nave marciana esté ensamblada, una nave Orión tripulada con destino a Gateway se encargaría de comprobar el estado del vehículo y rellenar el hábitat con más víveres y equipo. Luego la nave marciana volvería sin tripulación hasta una órbita lunar más alejada en una maniobra de 180 días y allí se encontraría con otra nave Orión, que llevaría a la tripulación marciana y más víveres. Finalmente, el conjunto pondría rumbo al planeta rojo, donde llegarían tras 160 días de viaje. Allí permanecerían unos 600 días en órbita de Marte o viajarían a la superficie en un aterrizador que habría llegado previamente a la órbita marciana usando otra etapa nuclear de 54 toneladas y un único motor nuclear. En este caso, el aterrizador llegaría a Marte tras un vuelo de baja energía de 200 a 300 días de duración.

Secuencia de ensamblado de la nave marciana en la estación Gateway (NASA).
Regreso a la órbita lunar alejada, abordaje de la tripulación y viaje a Marte (NASA).
Envío del aterrizador marciano sin tripulación con dos lanzamientos del SLS y una etapa nuclear (NASA).

Este esquema de misión es poco espectacular en tanto en cuanto requiere más o menos el mismo número de lanzamientos del SLS para llegar a la superficie de Marte que la propulsión química (entre 5 y 7), pero bien es cierto que se reduce significativamente el tiempo de viaje y, por tanto, la exposición a la radiación solar y cósmica por parte de los astronautas. Una misión a Marte con NTP podría durar en total 540 días solamente, incluyendo 300 días de estancia en la órbita o en la superficie del planeta vecino. El uso de motores nucleares también permitiría abortar la misión durante los primeros tres meses de viaje hacia Marte, una ventaja que no tiene la propulsión química, que solo permite un aborto durante los primeros cinco días. En todo caso, es importante recordar que la NASA, ni nadie, dispone de un motor NTP operativo. Tras los experimentos de los años 60 y 70 en EEUU y la URSS, ningún país ha apostado por esta tecnología, aunque recientemente la NASA ha mostrado interés en revivir esta tecnología y ha dedicado una modesta cantidad de dinero en revisar su viabilidad (o sea, lo que viene siendo hacer powerpoints).

Motor nuclear de nueva generación comparado con un motor criogénico RL-10 (derecha) (NASA).
Esquema de otro motor nuclear (BWXT).

El motor NTP que tiene en mente la NASA sería un descendiente de los programas NERVA/Rover, pero emplearía uranio poco enriquecido (LEU) como combustible. Tendría un empuje mínimo de 111 kilonewton y una potencia de 500 megavatios, con un impulso específico (Isp) de casi 900 segundos, que es el doble de la eficiencia que puede alcanzar un motor químico convencional. La NTP sería especialmente ventajosa para explorar el sistema solar exterior. Desgraciadamente, este tipo de propulsión goza de una mala imagen entre gran parte del público, a pesar de que los reactores de estos motores se lanzarían inertes y solo se activarían una vez en órbita terrestre o en el espacio profundo y, por tanto, no supondrían ningún riesgo desde el punto de vista de la radiación emitida.

Arquitectura NTP para llegar al sistema solar exterior (NASA).
Otra vista de la nave marciana y sus tres motores nucleares (NASA).

Referencias:

  • http://anstd.ans.org/NETS-2019-Papers/Track-2–Mission-Concepts-and-Logistics/abstract-29-0.pdf


227 Comentarios

  1. Muy bueno el dato del por qué la fecha de 2033, Hilario.
    Ojo. ¿Veremos una carrera por ir a Marte en esa fecha?
    Quiero decir, si es tan favorable…

    1. En efecto, el NERVA y esta propuesta usan el mismo principio y el mismo diseño: un motor nuclear térmico (NTR) funciona calentando una masa de reacción (hidrógeno, metano, cerveza…) que circula alrededor del reactor nuclear de fisión. Esa masa de reacción, calentada a temperaturas superiores a las de los gases de los motores químicos, sale a toda velocidad por la tobera proporcionando empuje, y de paso funciona también como refrigerante. Es un concepto de los años 50.

      Tienes toda la información que necesites (además de en mi libro) en:

      https://danielmarin.naukas.com/2010/11/23/cohetes-nucleares-a-la-conquista-del-sistema-solar/

      https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket

      Por supuesto, desde los 50/60 se ha avanzado algo en estos temas y hoy por hoy lo suyo sería emplear motores nucleares térmicos bimodales, que combinan en una sola unidad la propulsión térmica y la generación eléctrica (ya sea para dar energía a la nave y sus sistemas y/o para alimentar un sistema de propulsión eléctrica que permita realizar el viaje en menos tiempo, quedando la fase de propulsión térmica para la aceleración inicial y el frenado). Un sistema bimodal haría innecesario el uso de paneles solares (bastante habría ya con los refrigeradores) y por eso veo esta propuesta tan endeble, porque en la ilustración se ve a los módulos que la componen luciendo unos paneles solares (parece que derivados de la necesidad de alimentación eléctrica de los módulos durante el traslado a la Gateway, pero a lo que se ve, también serían usados durante el vuelo a Marte), lo que indica que o bien el motor nuclear no es bimodal, o bien que los ilustradores han tirado de la primera idea que les ha venido a la cabeza y les ha salido este churro.

      El principal problema de los motores nucleares térmicos (radiación a parte) consiste en cómo enfriar el sistema durante el vuelo espacial (puedes apagarlo una vez finalizada la fase de aceleración, pero el calor sigue estando ahí y tiene que salir por algún sitio, y además te quedarías sin generación eléctrica obligándote a depender de paneles), y para ello están los radiadores: el refrigerante pasa por los radiadores y se enfría antes de regresar al reactor. Pero son sistemas bastante grandes y poco protegidos. Según parece, técnicos de Roscosmos habían estado trabajando en un novedoso y exótico sistema de enfriamiento por gotas en el vacío, pero no sé cómo sigue esa línea de investigación).

      Aquí tenemos una ilustración bastante realista de cómo luciría un sistema de propulsión nuclear térmica:

      i.pinimg.com/originals/f1/9c/a3/f19ca3320024387c0ba100e32ec7051b.jpg

      Bastante aparatoso, pero bueno…

      1. Probablemente no diga nada que no sepas, pero por si acaso:
        a) 05/12/2018: a finales de octubre del 2018, el refrigerador por goteo se ha probado con éxito en un ambiente que simula el espacial, en la Tierra. Queda probarlo en el espacio (hay luz verde para ello, pero no se ha fijado una fecha).
        b) Los plazos del proyecto, asociados al remolcador, se van a demorar mucho. El 13/08/2019 se especulaba sobre la construcción de infraestructura de apoyo en el cosmódromo de Vostochny en el 2030.

  2. Yo inconscientemente había dado por hecho que un reactor nuclear en el espacio se usaría para alimentar eléctricamente un motor iónico, en lugar de calentar gases para propulsores. Sería factible o incluso más eficiente este sistema?

    1. JIMBO, el uso de un generador nuclear para generar electricidad (propulsión electrotérmica) es una propuesta muy viable y se lleva estudiando y experimentando desde los años 60. Tienes más información en:

      danielmarin.naukas.com/2018/01/19/democritos-un-prototipo-europeo-de-reactor-nuclear-espacial/

      danielmarin.naukas.com/2017/09/27/un-reactor-nuclear-para-las-misiones-de-la-nasa/

      danielmarin.naukas.com/2009/10/30/naves-nucleares-rusas/

      danielmarin.naukas.com/2012/10/28/rusia-y-su-remolcador-espacial-nuclear/

      Un saludo.

  3. En efecto, el NERVA y esta propuesta usan el mismo principio y el mismo diseño: un motor nuclear térmico (NTR) funciona calentando una masa de reacción (hidrógeno, metano, cerveza…) que circula alrededor del reactor nuclear de fisión. Esa masa de reacción, calentada a temperaturas superiores a las de los gases de los motores químicos, sale a toda velocidad por la tobera proporcionando empuje, y de paso funciona también como refrigerante. Es un concepto de los años 50.

    Tienes toda la información que necesites (además de en mi libro) en:

    danielmarin.naukas.com/2010/11/23/cohetes-nucleares-a-la-conquista-del-sistema-solar/

    en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket

    Por supuesto, desde los 50/60 se ha avanzado algo en estos temas y hoy por hoy lo suyo sería emplear motores nucleares térmicos bimodales, que combinan en una sola unidad la propulsión térmica y la generación eléctrica (ya sea para dar energía a la nave y sus sistemas y/o para alimentar un sistema de propulsión eléctrica que permita realizar el viaje en menos tiempo, quedando la fase de propulsión térmica para la aceleración inicial y el frenado). Un sistema bimodal haría innecesario el uso de paneles solares (bastante habría ya con los refrigeradores) y por eso veo esta propuesta tan endeble, porque en la ilustración se ve a los módulos que la componen luciendo unos paneles solares (parece que derivados de la necesidad de alimentación eléctrica de los módulos durante el traslado a la Gateway, pero a lo que se ve, también serían usados durante el vuelo a Marte), lo que indica que o bien el motor nuclear no es bimodal, o bien que los ilustradores han tirado de la primera idea que les ha venido a la cabeza y les ha salido este churro.

    El principal problema de los motores nucleares térmicos (radiación a parte) consiste en cómo enfriar el sistema durante el vuelo espacial (puedes apagarlo una vez finalizada la fase de aceleración, pero el calor sigue estando ahí y tiene que salir por algún sitio, y además te quedarías sin generación eléctrica obligándote a depender de paneles), y para ello están los radiadores: el refrigerante pasa por los radiadores y se enfría antes de regresar al reactor. Pero son sistemas bastante grandes y poco protegidos. Según parece, técnicos de Roscosmos habían estado trabajando en un novedoso y exótico sistema de enfriamiento por gotas en el vacío, pero no sé cómo sigue esa línea de investigación).

    Aquí tenemos una ilustración bastante realista de cómo luciría un sistema de propulsión nuclear térmica:

    i.pinimg.com/originals/f1/9c/a3/f19ca3320024387c0ba100e32ec7051b.jpg

    Bastante aparatoso, pero bueno…

      1. Ya te digo… Todo serían ventajas usando cerveza: buen fluido de trabajo, ecológico, excelente refrigerante, antioxidante, serviría de escudo contra la radiación solar, simplificaría la logística y sobre todo haría que el viaje se pasase volando. 🙂

  4. Todo lo que sea en el espacio, se debería utilizar energía nuclear a saco y aprovechar todas sus ventajas. Los remilgos antinucleares por meros motivos eco-ideológicos me parecen absurdos.

  5. 1.. Los que son una realidad: Propulsores Químicos, Propulsores Ionicos, Propulsores de Plasma, e incluyamos “pequeñas velas solares”.
    2.. Posibles pero en desarrollo: Velas Láser, Motores Cohete Termonucleares, Propulsor de Fusión Nuclear Magnético Inercial, supuestamente el “Propulsor de Cavidad Resonante RF (EmDrive) -parece que no sirve”,
    3.. Están los propulsores teóricos: Propulsor Nuclear de Pulsos (Proyecto Orión), Propulsor Nuclear por Confinamiento Inercial (Proyecto Daedalus), Proyecto Medusa y Proyecto Longshot, Propulsor de Fusión Nuclear Continua, Bussard Ramjet, Propulsor de Anti-materia, Propulsores Warp (Motor de Alcubierre), …
    4.. Y están los demás de los libros y películas de ciencia ficción.

    https://es.gizmodo.com/15-motores-espaciales-increibles-que-algun-dia-nos-llev-1832646149

  6. Veo mucho comentario sobre que si pegas de la radiactividad, la opinion publica, etc..

    Que no. Que esto no sale adelante ni saldra en mucho tiempo por dos razones que no son ninguna de esas. Primero, el acceso a combustible nuclear es cosa fina. Solo unos pocos pueden hacerlo. Segundo, si resuelves el primero, es caro de cojones. Pero caro, caro, carísimo. No se si me habeis entendido bien. Coge el termino caro y elevalo a n.

    Si decidieran hacer esto, el SLS nos iba a parecer una ganga. Ni de globo hacen y certifican un motor nuclear y esa arquitectura de aquí a 2033.

    A la saca de los powerpoints.

  7. En el sistema solar interno, o sea hasta Júpiter, la radiación solar es suficiente para que los paneles solares actuales alimenten sistemas eléctricos de propulsión. La necesidad de fuentes de energía de larga duración para la exploración más allá de Júpiter hace que parezca imprescindible la energía nuclear en estas situaciones donde parece que el medio no parece suministrar suficiente energía. ¿Pero es así realmente?

    La radiación cósmica está por todas partes y atraviesa los cuerpos, interaccionando con parte de sus átomos y produciendo entonces calor. En un objeto pequeño, con mucha superficie respecto a su masa, el calor de esas interacciones se irradia de nuevo por completo, de manera que su temperatura permanece muy baja.

    Si tuviéramos una esfera grande de hielo, recubierta de aislante térmico, en una órbita más allá de Saturno ¿se calentaría, aunque fuera muy lentamente, hasta fundir el hielo?

  8. Unos mas de los posibles blindajes en el espacio es generar un campo magnético propio pero se necesita mucha potencia así como para reciclar, mantener un hábitat y cultivar, una nave humana no puede llevar todos los paneles solares que tiene la ISS solo para 4-7 personas, lo dice un fan de las energías verdes, pero no por ello hay que parar la investigación de la cuarta generación y si cerrar los de primera y segunda y si se puede los de tercera, la fusión fría y caliente no llegan…

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Por Daniel Marín, publicado el 3 octubre, 2019
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