DRACO: el motor nuclear térmico del Pentágono

Por Daniel Marín, el 16 abril, 2021. Categoría(s): Astronáutica • Cohetes ✎ 75

En los años 60 y 70 los Estados Unidos y la Unión Soviética desarrollaron varios prototipos de motores nucleares térmicos, siendo los más famosos el programa NERVA o el motor RD-0410. Sin embargo, ninguno de ellos alcanzó el espacio. La propulsión nuclear térmica consiste en usar un reactor nuclear de fisión para calentar un propelente de baja masa molecular —normalmente hidrógeno— con el fin de que salga expulsado a gran velocidad. La gran ventaja de usar este tipo de propulsión, conocida por las siglas en inglés NTP (Nuclear Thermal Propulsion), es su gran eficiencia, capaz de obtener impulsos específicos (Isp) por encima de los 800 segundos (como comparación, la propulsión química convencional suele proporcionar Isp de entre 300 y 450 segundos). En cuanto a sus contratiempos, el más importante es la expulsión de materiales radiactivos por la tobera, aunque esto no es un problema si el motor se activa en el espacio. Pero también hay que tener en cuenta la radiación generada —que puede afectar a la electrónica y a los seres vivos por igual—, la mala relación empuje/peso o su elevado precio. Eso sí, un motor nuclear sin activar no es radiactivo, a diferencia de lo que ocurre con los generadores de radioisótopos (RTGs), que emplean sustancias altamente radiactivas desde un principio.

Recreación artística de la nave del programa DRACO (DARPA).

Pero quizás el inconveniente principal de la propulsión nuclear térmica es que su eficiencia, aunque alta, no es espectacular, sobre todo comparada con otros sistemas de propulsión (por ejemplo, la propulsión iónica puede alcanzar fácilmente entre 2000 y 5000 segundos de Isp, aunque el empuje proporcionado por este tipo de motores suele ser minúsculo). Este hecho ha sido el causante de que agencias y organizaciones espaciales hayan considerado que las dificultades en introducir un motor de este tipo no compensan sus ventajas. Pero eso podría estar a punto de cambiar. En 2020 la agencia de investigación militar  DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) puso en marcha el programa DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) para desarrollar un motor nuclear térmico que se pueda usar en misiones en el espacio cislunar.

Prototipos del motor nuclear térmico soviético RD-0410 (izquierda) y el NERVA de EE.UU. (derecha).
Elementos de un motor del programa NERVA (NASA).

El pasado 9 de abril de 2021 DARPA otorgó un contrato por valor de 22 millones de dólares a la empresa General Atomics para desarrollar un reactor nuclear compacto que pueda usarse en un motor NTP. El objetivo del programa DRACO es crear un prototipo de nave cislunar NTP que disponga de un motor nuclear con una relación peso-empuje similar a la de un motor químico convencional, pero con un Isp entre dos y cinco veces superior. General Atomics dispone ahora de un año y medio para diseñar un reactor adecuado para el programa en esta primera fase. El reactor debe ser del tipo HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), es decir, que tendrá del 20% de uranio-235. Es de suponer que el diseño final usará un núcleo sólido —empleado en los programas de los años 60— y no uno líquido o gaseoso, que, en principio, puede aumentar la eficiencia dramáticamente, pero presenta unos problemas de construcción mucho más complejos. Por otro lado, el 12 de abril, coincidiendo con el Día de la Cosmonáutica, DARPA anunció otros contratos para desarrollar la nave del programa DRACO según los cuales Lockheed Martin recibió 2,9 millones de dólares y Blue Origin 2,5 millones. Las dos empresas comenzarán a desarrollar sus respectivos conceptos de naves una vez General Atomics haya finalizado el diseño del reactor. Evidentemente, estas cifras no son suficientes para lanzar una nave con propulsión nuclear térmica a las cercanías de la Luna, así que DARPA tendrá que desembolsar muchos millones de dólares adicionales si quiere que DRACO sea una realidad.

Concepto de nave tripulada a Marte del desaparecido programa Constelación de la NASA con dos motores nucleares térmicos (NASA).

Como decíamos en la introducción, los reactores nucleares no son peligrosos si se lanzan desactivados a la órbita. Una vez operativos, la cosa cambia y habría que tener mucho cuidado con que no reentren en la atmósfera terrestre. No en vano, la Unión Soviética lanzó 34 reactores nucleares espaciales y la mayoría siguen en órbitas altas, pero dos de ellos —Kosmos 954 y Kosmos 1402— cayeron a la Tierra (estos reactores no se usaron para propulsión nuclear térmica, sino para alimentar los sistemas de los satélites espías US-A destinados a buscar buques de la armada estadounidense en medio del océano). Si sale adelante, DRACO sería el segundo reactor nuclear lanzado al espacio por Estados Unidos tras el SNAP-10A de 1965 (oficialmente, porque hay rumores de que algunos satélites militares estadounidenses podrían haber despegado con un reactor a bordo). Por el momento, se desconocen los detalles técnicos de la nave DRACO, o sea, sus dimensiones, masa, prestaciones u objetivos.

Diseño de motor nuclear térmico de la empresa BWXT (BWXT).

El programa DRACO no es la única iniciativa en marcha en Estados Unidos para revivir la propulsión nuclear térmica. La NASA también mantiene su propio programa y, también este mes, otorgó un contrato de 9,4 millones de dólares a la empresa BWX Technologies para concretar el diseño y técnicas de manipulación y fabricación de las cápsulas de combustible —uranio HALEU— del reactor de un motor nuclear. Es importante resaltar que estos estudios no están directamente relacionados con otras iniciativas de la NASA para construir un reactor nuclear con el objetivo de suministrar energía eléctrica (unos diez kilovatios) para misiones espaciales o bases en la Luna o en Marte, como es el proyecto Kilopower. Estos últimos reactores también se podrían emplear para propulsión en el espacio, pero hablamos aquí de propulsión iónica o de plasma —NEP—, no nuclear térmica.

Concepto artístico de reactores kilopower en Marte (NASA).

Estados Unidos es el único país que tiene proyectos en marcha para desarrollar motores nucleares térmicos —salvo que China lleve alguno en secreto, claro—, aunque esto no significa necesariamente que DRACO o el NTR de la NASA se hagan realidad. Por el momento estos programas tienen como función mantener engrasada la industria para que no se pierda el know-how asociado a esta tecnología más que la construcción de un ejemplar de vuelo real. La agencia DARPA se caracteriza por subvencionar la industria privada con muchos proyectos avanzados que luego no tienen mayor recorrido. Pero, quién sabe, a lo mejor en los próximos años vemos al fin un motor nuclear térmico en el espacio.

Referencias:

  • https://www.darpa.mil/news-events/2021-04-12
  • https://www.bwxt.com/news/2021/04/01/BWXT-Awarded-Additional-Nuclear-Thermal-Propulsion-Work-for-NASA


75 Comentarios

  1. Excelente entrada, Daniel. Como siempre. Una pregunta… ¿Planes para alguna entrada conmemorando el 40 aniversario de la primera misión STS?
    Gracias

      1. 😀 Si ya la tienes a medio cocinar, termínala de hornear.
        ¿Qué son unos días de retraso en 40 años? 😉

        Muchas gracias por todo, Daniel.

          1. La propulsion nuclear térmica proporciona enormes empujes y buenos impulsos específicos adecuados tanto para poner satélites en órbita como para misiones a Marte o Júpiter. Pero la propulsión nuclear eléctrica proporciona una forma ultraeficiente de viajar a grandes distancias y, con un mayor desarrollo, podría ser capaz de llevarnos más allá del Sistema Solar. (Según, Michael J. Osenar en «A Comparison of Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion for Interplanetary Missions», 2004)

  2. Papel mojado, por desgracia. Como bien indica Daniel, mini-subvencion para engrasar a una empresa especialista y que siga tirando de esta tecnología. Y migajas para las otras dos.

    Y personalmente, aunque el nombre Draco sea chulo, ya esta un poco usadillo por SpaceX, ¿no? ¿Tanto costaba buscar otro nombre? Seguro que aquí en un rato hacemos una tormenta de ideas y nos sale algo decente y que no sea el nombre del motor de una empresa aeroespacial.

  3. Muy interesante. Las imágenes de “Los Prototipos del motor nuclear térmico soviético RD-0410 y el NERVA de EE.UU” me han dado un escalofrío. ( no sè por qué pero impresionan).

    El otro asunto lego es que necesitaremos un diccionario de siglas, aunque es divertido comprobar que poco a poco aprendemos algunas. Un reto más para el espaciotranstornado.

    Gracias.

    Desvele: NTP, RTG, RHU, NEP, TEU, BUK, SNAP, DRACO, DARPA, HALEU, ISRU, HEU, KRUSTY, TSSM, PTC, PWR, DS4G…. y más allá 🙂

    Menos mal que Daniel tiene la buena costumbre de indicarlas en sus textos. El reto es incorporarlas a la charla casual.

    1. Parece que no los conoces. A partir de ahora todo lo que salga bien será gracias a la NASA. No tienen arreglo. Afortunadamente para todos, la NASA ha resultado tener mejor criterio que otros muchos.

        1. No voy a decir «era de cajón», perooo… es que era de cajón.

          Bastaba comparar la LunaShip con los otros dos cascajos…
          y (¡ejem!) comparar también los costes estimados…
          y NO había color 😉

    2. Bueno, como comenté en un twitter, con esta decisión entiendo qué no se trata de volver a la Luna a palear un poco más de regolito y otra pisada testimonial, sino qué vuelven por mucho más que eso.
      Además, SpaceX se lo merece. Los devolvió al espacio con vehículo propio mientras la otra nave sigue pedaleando en la arena.

        1. 2900 millones de contrato y SpaceX como única seleccionada, es para tirar cohetes (nunca mejor dicho!), yo la verdad pensé que este escenario era demasiado optimista para que se hiciera realidad, y mira lo equivocado que estuve pensando que elegirían como mínimo la opción del National Team a compartir con la de Spacex, pero nop, todo para Starship… creo que empiezo a entender porque Elon se proclamó emperador de Marte hace unos días. El programa ya esta asegurado

        2. Ay no quemen el tema… Espérense a Daniel.

          Lo del motor térmico nuclear está bueno… No es la gran eficiencia pero es un punto intermedio en potencia de empuje.

      1. Podríamos decir que esta decisión supone la sentencia de muerte del concepto del SLS, ¿no? Vamos, que ese bicharraco hará dos o tres vuelos y a correr…

        Vamos a ver qué dice China al respecto con su Larga Marcha 9.

          1. No hay quien os entienda. Hace unas entradas celebrábais el SLS como una realidad y el no-va-más frente a los fracasos de las SNX

            Ahora más vale invertir en Yellow Starships

        1. No, de hecho les han preguntado y mantienen que su arquitectura pasa por el SLS y al Orion. HLS solo para NRHO-Luna. Pero seguro que en 10 años, si Starship triunfa, el SLS morirá sin remedio.

          1. Pues qué quieres que te diga… No acabo de entenderlo.

            A ver, si optan por el Starship lunar, el SLS NO tiene sentido alguno. Sería la rehostia haberse gastado miles de millones en el SLS+Orion, comprometiendo además a la ESA para parir un mastodonde que sólo va a hacer dos o tres vuelos dando vueltas a la Luna. Sólo con lo que costaría el lanzamiento de un par de SLS tienes para inyectar recursos de sobra (humanos, técnicos y financieros) para sacar adelante el Starship lunar y el carguero.

            Pero además, si el Starship lunar es la gran apuesta… ¿Para qué coño quiere la NASA la Gateway en su actual configuración? Joder, es que con una sola Starship lunar modificada con paneles solares y puertos de atraque tes has montado ya una estación espacial lunar…

            Es que esta decisión lo cambia todo. La NASA puede coger los PowerPoints de Artemisa y de la Geteway y echarlos a papelera de reciclaje de Windows. Es un cambio de paradigma en la vuelta a la Luna. Pero ojo, que también supone una presión añadida para SpaceX.

          2. Todo lo que dices tiene todo el sentido del mundo y es cierto, pero la NASA no puede ser tan obvia. Aunque digan que no en voz alta, en el fondo ellos lo saben y es lo que quieren, a la larga. Pero esto es política, y tienen que seguir con la Orion, el SLS y la Gateway. A pocos minutos de anunciarlo, ya les estaban metiendo presión políticos que no ven esto con buenos ojos.

            Pero si consiguen meter este gol ahora, sientan las bases para cambiarlo todo dentro de una década.

  4. Hola Erick,
    Quizás, si los rusos «»realmente» sacan el »prototipo del Remolcador Nuclear» que planean, ya comenzaría a hacerse algo… Saludos

        1. Ese es el asunto, precisamente.

          El TEM ruso es con diferencia el más cocinado de los proyectos NEP que andan dando vueltas en el powerpointverse. Han probado y desechado tantas alternativas que ahora deberían estar «en el buen camino».

          El desafío tecnológico que supone «el cacharro» no es moco de pavo, pero los rusos están a la altura. Tan sólo hace falta buena administración (te estoy mirando, Rogozin) y dinero, mucho dinero.

          1. El principal escollo tecnológico que le veo es que es un reactor refrigerado por gas, campo en el que Rusia no tiene experiencia.

            Un reactor refrigerado por gas no es mala idea per se. De hecho, tienen muy buen rendimiento si haces pasar el gas por una turbina para generar la electricidad (no sé si este va con turbina o termopares). Además, el gas es ligero (cosa importante en astronáutica).

            Yo hubiera apostado por un diseño similar a los anteriores: refrigerado por Na-K y con termopares. Menos riesgo de desarrollo.

            Saludos

          2. El principal escollo tecnológico que yo le veía eran los Liquid Droplet Radiators…

            projectrho.com/public_html/rocket/heatrad.php#liquidradiator

            en.wikipedia.org/wiki/Liquid_droplet_radiator

            …que son los 4 planos translúcidos en la primera imagen de aquí…

            ru.wikipedia.org/wiki/Транспортно-энергетический_модуль

            El segundo principal escollo eran las turbinas (a gas) de ciclo Brayton…

            electricrocket.org/2019/187.pdf

            Esas son algunas de las alternativas probadas y desechadas a las que me refería antes, porque aparentemente ahora ya no están…

            https://danielmarin.naukas.com/2020/09/14/el-remolcador-espacial-nuclear-tem-de-rusia-sigue-adelante/

            Radiadores de aspecto convencional en lugar de LDRs y convertidor termoiónico (termopares) en lugar de turbinas. La cuestión es si con esa actual configuración es posible un TEM NEP de clase megawatt y en esa misma entrada hay un comentario mío detallando mis serias dudas al respecto.

            Saludos.

          3. Gracias por las aclaraciones, Pelau. Sabía que habían abandonado lo del liquid doplet radiator, pero no si habían abandonado las turbinas o no. Respecto a la potencia que puede desarrollar un bicho así, como bien dices es dudoso que pueda alcanzar potencias de MW. Veremos a ver. Saludos.

    1. En efecto, el proyecto ruso es, en estos momentos, el más avanzado. No obstante un remolcador solo tiene sentido si hay algo que remolcar. Me da a mí que terminará cancelado. Saludos.

  5. La DARPA no suele dar puntada sin hilo y aunque muchos de sus proyectos al final no vean la luz, hay que decir que siempre plantea desafíos a empresas e ingenieros que muchas veces están en los límites de la tecnología actual. Es la ventaja de trabajar para el Pentágono.

    También hay que decir que desde los años 60 se ha avanzado mucho en conceptos de propulsión nuclear térmica, pues la tecnología ha avanzado mucho en los últimos 50 años. Así que supongo que la DARPA, más que resucitar la idea del NERVA, debe de estar apostando por las nuevas ideas que han ido surgiendo con los años. A este respecto, podéis infomaros sobre los conceptos «más allá del Nerva» en:

    https://beyondnerva.com/nuclear-thermal-propulsion/solid-core-ntr/

    También en mi libro «Astronáutica, el camino a las estrellas» le dedico un capítulo al tema de la propulsión nuclear (térmica y de generación eléctrica), pero cómo hoy no me siento Sánchez-Dragó, no me voy a publicitar… No he venido a hablar de mi libro 😂🤣😆.

      1. Pues lo siento por mi público, pero con tanto cambio en el sector aeroespacial, la próxima actualización del libro se aplaza dos o tres años a ver qué pasa… 🤣🤣🤣

        1. Compré y leí tu libro hace ya varios años y me gustó mucho. Imagino que se pueden tener las actualizaciones automáticamente en el Kindle sin tener que comprarlo de nuevo, ¿no?

  6. Y mientras, la NASA finiquita su programa Artemisa eligiendo el módulo lunar de SpaceX…..se dan cuenta que:

    1 – Así, el módulo lunar será más grande que la estación orbital internacional lunar LOP-G y la nave Orión (¡!), eso habrá que verlo para creerlo…..

    2 – Y sí, SpaceX recibirá fondos públicos y gubernamentales de la NASA para desarrollar su loca Starship. Pero, como regalo envenenado, tendrá que certificar y testear las elementos con los estrictos criterios de la agencia espacial estadounidense; así que, adiós al estilo de pruebas underground de Musk para acelerar el desarrollo de los componentes de la Starship y el Super Heavy …. conocido por su toque descampado y artesano, sin ningún respeto por el medio, sus habitantes y la FAA de Estados Unidos.

    3 – Por lo tanto, el programa Artemisa de la NASA dependerá en su elemento más sensible de una empresa que busca sabotearlo y sustituirlo por sus propios conceptos paralelos, con la complacencia de la actual administración de Biden. Mientras que, la propia NASA puede entorpecer y torpedear el desarrollo de la revolucionaria nave de SpaceX con sus criterios y exigencias (pruebas de motor y del vehículo obligatorias en un banco de pruebas a la escala necesaria (¡!), refinado de procesos y materiales de construcción del vehículo; e indicaciones y exigencias respecto a centros de producción y ensamblaje, etc).

    Va a ser divertido, ….. penoso y patético a la vez …. eso de ver a una parte de la NASA y SpaceX enfretadas ….. en el barro, a garrotazos, como lo pintaría Goya.

    En definitiva, creo que Biden ha puesto la primera piedra para un CCDev lunar con SpaceX como protagonista; fagocitando desde dentro los fondos aprobados para Artemisa por los republicanos. Para luego dejárselo al criterio amigo de Musk. Tampoco creo que con un N-1 (Artemisa) y un UR-700 (Starship – Super Heavy) se llegue a nada bueno, teniendo en cuenta la situación de marcada decadencia económica actual de Occidente y Estados Unidos, los recursos disponibles y a gastar; así como, los indeseados resultados finales de tal pugna fraticida.

    Me voy a decantar ahora más por China en esta carrera hacia la Luna.

    1. La solar va avanzando pero evidentemente la ley del cuadrado de la distancia es implacable. Yo diría que Júpiter es ahora mismo el límite, dudo que a la distancia de Saturno la solar bata a la nuclear alguna vez. Saludos.

  7. Osea, que NASA apoya con su programa DRACO a Lockheed Martin y Blue Origin
    y se queda con Space X para avanzar en el proyecto Artemisa y más allá.

    Si los programas nucleares avanzan , algo lógico dado el empuje que Rusia les da a los suyos, estas empresas volveran a tener su oportunidad de volver a engancharse a la carrera «cis-lunar y cinturoniana o más alla» .. Eso si , tendran que darles mas presupuesto.

    Ya lo veremos.

  8. Bueno realmente me encanta este proyecto. ¿Quién aqui vio el ultimo capitulo de For All Mankind? Un transborador espacial con un motor NERVA encima!!! EPICO!

    Y bueno, DARPA siempre ha sido muy buena, ojalá logre salir adelante. Tengo una pregunta, la potencia de este tipo de motores es similar a los quimicos criogénicos?

    Por que en si permitiría que los viajes a la Luna fuesen más rápidos y con mayor carga verdad?

  9. ¿Ya nadie se acuerda de Franklin Chang Diaz y su motor de plasma? el VASIMR?

    El tío sigue con el proyecto contra viento y marea.

    ¿Conseguirá algo al final?

    1. Es una maravilla.
      Muchas gracias David U x compartirlo.

      (hasta yo lo pillo) .. (al menos una gran parte)

      y ya que se seguirá hablando y mucho…., asi me enteraré algo mas.

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Por Daniel Marín, publicado el 16 abril, 2021
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