La propulsión nuclear para sondas al sistema solar exterior

Por Daniel Marín, el 27 mayo, 2021. Categoría(s): Astronáutica • Cohetes • NASA • Sistema Solar ✎ 145

En junio de 2022, la sonda JUICE de la ESA despegará rumbo a Júpiter. JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) promete desvelar los secretos de las lunas heladas jovianas, especialmente Ganímedes y Calisto. Sin embargo, tendremos que esperar hasta octubre de 2029 hasta que JUICE llegue a Júpiter. ¿Por qué? Pues porque no disponemos de ningún lanzador en servicio lo suficientemente potente para lanzar una sonda de 4,8 toneladas en una trayectoria directa hacia el gigante gaseoso. JUICE deberá realizar dos asistencias gravitatorias con la Tierra, una con Venus y otra con Marte para alcanzar Júpiter. A la espera de sistemas de lanzamiento más potentes —te estoy mirando a ti, Starship—, ¿no podríamos al menos mejorar la propulsión para reducir los tiempos de vuelo?

Concepto de etapa superior con un motor nuclear térmico para explorar el sistema solar exterior. El tanque de hidrógeno líquido tiene una longitud de 9,4 metros y un diámetro de 5 metros (Kumar et al.).

Para misiones a los planetas exteriores, sobre todo a Urano y Neptuno, se ha propuesto el empleo de etapas de propulsión eléctrica con motores iónicos o de plasma. Pero, ¿y qué hay de la propulsión nuclear térmica? Este tipo de propulsión, también conocida por sus siglas en inglés, NTP (Nuclear Thermal Propulsion), combina un alto empuje con una alta eficiencia (o sea, un impulso específico elevado). En un reciente estudio, los investigadores Saroj Kumar, Dale Thomas y Jason Cassibry creen que se pude reducir el tiempo de vuelo a Júpiter de una sonda de 4,4 toneladas de siete a tan solo dos años. Solo hace falta una etapa superior NTP dotada de un motor nuclear tipo NERVA con hidrógeno líquido como propelente (el hidrógeno es el mejor propelente para un sistema NTP, ya que su bajísima masa molecular permite que las partículas salgan por la cámara de combustión a una velocidad muy elevada, aumentando la eficiencia del motor). El motor tendría una masa de 2,5 toneladas y se alimentaría de 12,7 toneladas de hidrógeno líquido. La masa de toda la etapa superior con la carga útil sería de 21,8 toneladas, lo que permitiría que fuese lanzada mediante el futuro cohete Vulcan Heavy, por ejemplo (u otro similar).

Trayectoria de la sonda JUICE de la ESA con cuatro asistencias gravitatorias para llegar a Júpiter (ESA).
Trayectoria directa a Júpiter de una sonda de 4,4 toneladas usando una etapa superior NTP (Kumar et al.).

Si la sonda es más pequeña, —de tipo New Frontiers, por ejemplo— esta etapa podría permitir viajes directos a Júpiter en menos de un año. El reactor nuclear de la etapa se lanzaría desactivado y, por tanto, en caso de accidente durante el lanzamiento no ocasionaría ningún problema de contaminación. No obstante, y para evitar herir susceptibilidades, el lanzador colocaría la etapa y su carga útil en una órbita de aparcamiento inicial de mil kilómetros de altura. De esta forma, si no se activa, —o se activa pero no logra salir de la órbita baja— la etapa permanecerá en órbita durante más de un siglo, tiempo más que suficiente para rescatarla o colocarla en una órbita todavía más alta. El motor nuclear tendría un empuje de unos 67 kilonewton, aproximadamente el 20% del proyectado para el motor estándar del proyecto NERVA. La etapa solo funcionaría durante la fase inicial de escape hasta agotar el propelente, por lo que, aunque habría que mantener el hidrógeno líquido durante horas —o días—, no debería funcionar a lo largo de varios años, como en el caso de las etapas iónicas.

Partes de un motor nuclear térmico (NASA/Aerojet Rocketdyne).
Tiempo de vuelo de misiones a los planetas exteriores usando NTP en función de la masa y la velocidad de escape alcanzada (NASA).

Actualmente, la NASA y el Pentágono tienen varios proyectos en marcha para desarrollar un motor nuclear térmico (o, mejor dicho, para resucitar esta tecnología). Aunque el uso de etapas NTP se ha planteado desde los años 60 hasta ahora, casi siempre lo ha sido de cara a misiones tripuladas a Marte,. Pero, como vemos, también sería posible aprovechar las ventajas de esta propulsión en misiones no tripuladas hacia el sistema solar exterior. En este caso, no sería necesario desarrollar motores y etapas tan complejos y pesados como los de una misión tripulada a Marte y permitiría que las misiones al cinturón de Kuiper no se conviertan en aventuras multigeneracionales como la construcción de catedrales.

Proyecto de nave tripulada a Marte con propulsión nuclear térmica (NASA).

Referencias:

  • https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2021/pdf/1613.pdf
  • https://www.lpi.usra.edu/opag/meetings/feb2018/posters/NTP.pdf


145 Comentarios

  1. Disculpa Daniel, investigando para mi siguiente hilo me volví a encontrar con el Vulcan heavy, sin embargo no le he encontrado diferencias con el Vulcan con 6 SRB.
    Sabrías tu decir las diferencias?
    Por otro lado se me hace un poco poco una etapa NTP, prefiero usar directamente un reactor nuclear, un SRM imagino, y usar el calor de este para acelerar la masa de reacción, bien sea hidrogeno bien otro comburente que podamos mantener durante mas tiempo en estado liquido

    1. Creo (corríjanme si me equivoco) que en ese caso las partículas expulsadas serian altamente radioactivas; además de que el reactor nuclear tendría que estar en funcionamiento en el momento del despegue, lo que haría el lanzamiento mucho mas peligroso.

      1. Las partículas expelidas no son altamente radiactivas. Es H2 simplemente que quizás salga algo ionizado, pero poco más. Con dicha corriente puede salir de vez en cuando algún fragmento del recubrimiento del combustible o dependiendo de la configuración del motor, puede que el H2 esté en contacto directo con él y saldrá alguna partícula que otra de dicho material, pero cantidades muy pequeñas. En cualquier caso, el espacio es enorme y de por sí radiactivo.

        En relación a tu segundo comentario, podemos leer en el artículo de Daniel: «El reactor nuclear de la etapa se lanzaría desactivado y, por tanto, en caso de accidente durante el lanzamiento no ocasionaría ningún problema de contaminación»

        Saludos.

        1. Mi respuesta fue al comentario de Martin «prefiero usar directamente un reactor nuclear, un SRM imagino, y usar el calor de este para acelerar la masa de reacción,» lo que interprete como usar el reactor sin un intercambiador, es decir la masa de propulsión seria directamente el moderador del reactor, Por eso mi comentario de la radiación.

      2. Creo que si que estaría ionizada la masa de reacción pero aún así es como verter combustible a un pozo de petróleo, estas contaminando? Hombre, es una mancha más y no se nota demasiado.
        El espacio es per se un entorno de alta radioactividad así que poca o ninguna tendría. En una misión tripulada es probable que si que fuese un impacto mas notable pero realmente no estaba pensando en una misión tripulada la verdad pero si que en principio valdría igualmente con la salvedad de que debería llevar un escudo anti radiación relativamente pesado en la parte de atrás de la nave.

      3. Hola, yo estoy un poco en el tema, y si como dice Leonardo, si el H2 es muy puro y si las paredes de los canales por donde se acelera el H2 no se fragmenta por el rozamiento con el gas calentado la mayoría de lo que se generaría es H ionizado y por captura de neutrones alguna cantidad no despreciable de deuterio ionizado (que no es radiactivo) y otra cantidad mucho menor diría casi despreciable de tritio que si es radiactivo.
        Otras cosas que se podrían expulsar no despreciables son iones pesados que se generen por reacciones de activación dentro del material de las paredes de los canales y que tengan suficiente energía cinética (retroceso) para poder escapar del material.

        Volviendo a la fragmentación del material de los canales, aprovecho y pregunto si alguien sabe que temperatura, presiones y caudales de Hidrógeno se manejan en este tipo de reactores, porque si son altas quizás el desafío técnico en este tipo de motores esta en la selección de materiales que si bien existen aleaciones en los motores actuales que soportan estas condiciones no tienen sumado el requerimiento de soportar el daño por radiación que generaría el flujo de neutrones producido por el reactor … y mantener el bajo peso.

        Ojala alguien sepa y pueda aportar a como son esas condiciones,

        Gracias

        1. En relacion al calor, la temperatura de los motores se limita precisamente por los materiales, y por eso el Isp es de «sólo» unos 900 segundos o unos 9 km/s de velocidad de escape, siendo teoricamente posibles mucho mejores Isp si los materiales aceptaran trabajar a mayor temperatura (el reactor puede dar mucho mayores temperaturas). El orden de magnitud teórico es unos 3000K o así, es decir, similar al de los cohetes químicos que ya de por sí están cercanos al límite de los materiales (con las conocidas técnicas de enfriamiento). El excelente rendimiento del motor se da basicamente gracias al bajo peso molecular de la corriente de escape que permite muy elevadas velocidades (o Isp).

          Saludos.

          1. Enrique Moreno, gracias por la respuesta, un reactor nuclear de fisión no tiene límite en cuanto a la temperatura que pueda producir, el límite se lo impone la disipación de potencia y la resistencia de los materiales.

            Quizás con los avances en fusión (donde las temperaturas son mucho más altas aunque con densidades más bajas) se logren mejorar los materiales o implementar nuevas técnicas de refrigeración que para el caso de estos motores de fisión permitan aumentar la velocidad de salida y el isp.
            Gracias,
            Hernán

    2. https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcan_Centaur#Versions
      «…The single-core Vulcan Heavy will have a Vulcan first stage, a Centaur upper stage with RL10CX engines with a nozzle extension and six SRBs.»

      Lo remarcado en cursiva negrita es la única y vaga diferencia que «le conozco» con respecto al Vulcan «normal» de 6 SRBs. Y no sé en qué andará, o si quedó en nada, el three-core Vulcan Heavy, mencionado por ejemplo aquí…

      spacenews.com/ula-studying-long-term-upgrades-to-vulcan/

      1. Vale, gracias.
        Tory bruno anda jugando al gato y al ratón con el vulacn tri core y no se si saldrá adelante, quizá para vuelos de la NASA con RTG.
        Respecto al RL-10CX debe ser una versión del RL-10C pero simplificada, este debe volar en la EUS y se que no tiene tobera extensible.

        Lo del RL-10 es una pesadilla tiene 10 versiones que son todas derivados unas de otras y muchos son involuciones de las evoluciones, por ejemplo, este.

          1. Nunca volará. Sólo es una maqueta.

            Un Vulcan tricore no tiene mucho sentido, ya que el core pelado del Vulcan tiene poca potencia. La mayoría del empuje viene de los SRBs.
            Juntando 3 cores tenemos 6 motores BE-4. En cambio, un New Glenn de un único core lleva 7 BE-4.

            Es decir, el Vulcan tricore sería mucho ruido y pocas nueces.

          2. Los Falcon 9 no llevan SRBs, de manera que si juntamos 3 cores en un FH, obtenemos automáticamente el triple de la potencia máxima de un F9.

          3. No todo es potencia hombre.
            Mientras supere la barrera mágica de 1 de TWR al despegue da igual lo limitada de su potencia.

            El Vulcan tri core tendría mucho mas dV, no ya solo por eficiencia, un LRB siempre será mas eficiente que un SRB, si no por tamaño, los cores del Vulcan son bastante mas grandes que sus SRB.

          4. Un Vulcan tricore tendría más ∆V que un Vulcan simple con SRBs, obviamente, pero seguiría siendo poco para un cohete con tres cores. Tendría menos empuje al despegue que el New Glenn, y mucho menos que el FH.

            Vulcan Tricore: 6 × 250 = 1.500 ton
            New Glenn: 7 × 250 = 1.750 ton
            FH: 3 × 775 = 2.325 ton

            No vale la pena, y si nadie lo financia (y nadie lo hará) ULA tampoco.

  2. No quiero polemizar con el autor del blog, pero ese primer párrafo mencionando la Starship como sistema de transporte tripulado a Júpiter y a Saturno ya lo había descartado yo y aprovecho para explicarme:
    Si suponemos una versión optimizadísima de la Starship con 140 T de masa seca, 60T de cargo-payload y unas 1300T de combustible, a penas te da para el viaje de ida a Júpiter: 3700*ln((1300+140+60)/(140+60)) = 7455 m/s. El delta-v a Saturno es de 7700 m/s (no llega), pero el de Júpiter, que es de unos 6570 m/s, sí que llegaría.
    Lamentablemente, la nave Starship no es viable para transportar tripulación hasta ambos pozos gravitacionales. Para Saturno descartado por el delta-v y para Júpiter descartado por costar demasiado tiempo, sin reavituallamiento, peligroso campo magnético, etc. De hecho la propia SpaceX no insistió en esta idea desde el 2016 (que la propuso) al 2017 (que la ocultó).

    1. No habla realmente de un viaje tripulado, habla de una sonda lanzada por la Starship
      Pero aún así, si Spacex se cansa de Marte pueden usar la Staship para construir una nave en órbita baja de la tierra para el viaje al sistema solar exterior. O hacer una Starship de 240 metros de alto con 18 de diámetro, lo que pase va a depender de la salud mental del Elon Musk en El momento de la misión

      1. O lanzar la Starship desde LEO marciana completamente repostada y… ya tienes Delta-V para Saturno (el pozo de Marte es mucho menor que el de la Tierra). O desde superficie lunar.

      2. La verdad es que no me leí mucho la entrada de Daniel: estaba más pendiente de otra cosa con el autor de este blog.
        El caso es que hace tiempo investigué esto de enviar sondas o tripulación a los planetas exteriores mediante la Starship y me salió que, para las sondas, aún salvando el escollo del delta-v (con esto que dices Nils de modificar el tamaño), quedaría pendiente esto otro del frenado en la atmósfera del cuerpo celeste. Parece que el Starship se va a construir para soportar presiones máximas de 5g; y las veo insuficientes para los mayores cuerpos celestes del sistema solar.
        Noel, yo seguiré apostando por enviar sondas mediante naves de poco empuje. Eso de utilizar la Starship se le ocurrió a Daniel pero fue una ocurrencia que seguro que no ha visto en ningún libro o artículo o página web especializada. No creo que nadie quiera meter miles de millones de dólares en algo que puede, al instante, achicharrarse en la atmósfera de Júpiter o de Saturno.

        1. No te gastes Fran, todos, hemos entendido que Daniel hablaba de viajes no tripulados y que se entendía que no tenía por qué ser la «Starship» en sí misma, si no parte del sistema de lanzamiento que está desarrollando SpaceX, o un a modificación (como comentan por arriba y por abajo). También hemos entendido todos que el físico se ha colado… pero no pasa nada, porque ahora vendrá el gañan a desdecirse, insultar y «matizar» sus palabras inventándose cualquier cosa que en realidad no ha dicho, pero le da igual, porque en su concepción del mundo el no puede equivocarse y los demás son muy lentos para entenderle.

          1. Lo has clavado.

            Excusa absurda «no me leí mucha la entrada» e insultos después.

            Si es que un attwhore es siempre un attwhore.

          2. Ah, mira Paco y Txemary, los subnormales más profundos del blog a con los que yo ya he claudicado. ¿Pero no os he dicho ya que no enmerdéis mis hilos?. ¿A por qué vais a ir ahora a por el premio al retrasado del año?. ¡Que esto no es una competición señores!, ¡nada ni puto caso a estos mierdas!.

      1. Carles, ¿no eres tú ese que se traga toda la propaganda supremacista de los políticos nacionalistas catalanes: de Puigdemont, de Junqueras y de toda esa bazofia de gente?.
        Esos traidores, esos que escupen a la mano que les lleva décadas amparando, no son realmente los peligrosos. Son los educados en universidades como tú, los que han viajado como tú, y los que tienen las tragaderas de los alemanes de los años ’30 como tú, los que llevarán a Cataluña al desastre.

        1. Veo que te limitas a hablar sobre las cosas que importan y a mantener los comentarios limpios, pareces una gran persona, todo el mundo en esta comunidad desprende un gran aprecio hacia tu persona y tus aportaciones.

          1. A mi sólo me interesa discutir contigo, Carles, sobre los políticos nacionalistas catalanes; y si te dejan (no me quedó claro si vivías todavía en Pekín) también sobre la China genocida de Xi Jinping.
            Mi estrategia comentadora tan sólo busca a determinadas personas: las atraigo a mis hilos para ver si les envuelvo en mis argumentos. En la mayoría de los casos sale mal, pero en otras: vale la pena.
            (Yo no insulto salvo para responder a un insulto y te aviso que me sé casi todos los trucos dialécticos).

    2. Jode.
      Tú a piñón fijo, oye.
      Está escribiendo sobre propulsión para sondas de exploración automáticas, hombre, que tienes una fijación muy poco física y demasiado metafísica.

      Y si, la capacidad de carga y la inmensa cofia de la Starship claro que permiten lanzar sondas a Júpiter.

        1. mi gran deseo es que a gente tan amante de la libertad, le llegue fuego liberador en forma de bombas o grupos de freedoms fighters como le gusta llamarlos a los cleptomanos de Atlanta, dicho esto la ciencia se rie de los cerebros conservadores…

    3. No hombre, Starship como sistema para lanzar sondas al sistema solar interior a los SLS, pero con precios razonables y probablemente segundas etapas desechables.

    4. Evidentemente habla de usar la starship para lanzar dentro de la cofia una sonda. Si esta sonda necesita varias toneladas y mucho espacio para el combustible y un motor nuclear no seria problema para la starship ponerla en órbita.

      1. Sí que será problema Quan y será un problema tan gordo como que no será posible hacerlo en Júpiter (y mucho menos en Saturno que ni se llega). ¿No he dicho ya que Júpiter tiene unas 2.5 g de aceleración planetaria? y ¿que la Starship está diseñada para aguantar 5g?. Durante la entrada parcial en la atmósfera de Júpiter y antes de escapar de ese planeta, en cuanto quieras salir (todo a velocidades hipersónicas) de la fase de L/D constante ya te encuentras con 2g-jovianos ó 5g terrestres y catapum. Billones de euros explotando y sin poner ninguna payload en ningún sitio.

    1. Ten en cuenta que se trata de una propuesta de misión «rápida», tipo sobrevuelo. Ahora bien, fuera del dinero, nada impide (con un buen lanzador) enviar sondas más grandes, con un sistema de propulsión nuclear más pesado que contemple no solo el frenado y entrada en órbita sino incluso el descenso a un satélite, la toma de muestras y el retorno a la Tierra. No vas a hacerlo enenos de un año, claro, pero sí en tres o cinco.

      Por ejemplo, se puede concebir una misión compleja, con orbitador y módulo de descenso. Un cohete pesado (Starship, SLS, LM-9, etc.) Envía a la órbita LEO el conjunto. Un motor NTP alimentado por hidrógeno (con metano el ISP sería de unos 650 seg.; con hidrógeno, unos 900 seg.) lo lanza hacia Júpiter, donde usa un aerofrenado agresivo en las capas altas de su atmósfera (como en «2010, Odisea dos», de Clarke) y una vez allí usa medios «convencionales» químicos para mandar al satélite que sea una etapa de descenso como las que se envían a la Luna o Marte. Esto con un motor térmico de fisión serían en torno a dos años de viaje hasta el sistema joviano.

      Pero puede irse más allá. Supongamos que queremos mandar una misión de sobrevuelo a algún planetoide transneptuniano como Arrokoth (antes conocida como «Ultima Thule»), que está a unos 6.500 millones de kilómetros del Sol, con una sonda similar a la propuesta en el artículo que nos ha regalado Daniel hoy. Una misión «convencional» con propulsión química llevaría décadas; pero si dotamos a nuestra sonda de un motor nuclear térmico de fisión, podemos lanzarla hacia uno de los planetas gigantes (por ejemplo, Júpiter), a donde llegaría en cosa de un año, para realizar una asistencia gravitatoria «potente» que podría multiplicar su velocidad, de forma tal que el viaje pasase de décadas a unos pocos años. Por ejemplo, se han simulado asistencias gravitatorias en Saturno para sondas propulsadas por NTP que obtendrían una velocidad de 180 kilómetros por segundo. Vamos, que donde antes tardabas una década o dos en hacer la misión, así podrías hacerla solo en un lustro.

      Lo único que se necesita es dinero, voluntad y lanzadores pesados… Y motores térmicos de fisión, claro.

      1. claro, claro…. muy bueno! ..
        evidentemente con un lanzador pesado y este tipo de propulsiones, las opciones aumentan muchísimo
        gracias por los datos…

    2. Pues aquí es donde veo una gran ventaja al sistema, puedes enviar sondas de sobrevuelo a lugares un poco alejados (tipo Sedna) que en las condiciones actuales tardarías como mínimo 5 vidas humanas en llegar, y de esta forma quizás sigas vivo cuando lleguen.

  3. Con un motor nuclear la cosa cambia bastante en realidad, y más si se usa con un súper lanzador, como la Starship
    Una starship podría dejar al menos 100 toneladas en órbita, así que podría dejar una etapa nuclear de 30-50 toneladas con una sonda de 5 toneladas sin ningún problema. Eso sería perfecto para explorar los gigantes de hielo

  4. Lindo artículo!! 👍 ¿por que los tanques de hidrógeno líquido tienen una cubierta de color oro y no de plata o bronce?

    El escándalo que provocaría China si pusiera en órbita uno de estos 😊

    1. El oro es, además de ser un excelente reflectante, es altamente maleable. Traducido: basta una pequeña cantidad de oro para cubrir una enorme superficie.

  5. «Pues porque no disponemos de ningún lanzador en servicio lo suficientemente potente para lanzar una sonda de 4,8 toneladas en una trayectoria directa hacia el gigante gaseoso» TENEMOS EL FALCON HEAVY, pero apuesto lo que quieras a que no lo lanzan con ese cohete por no ser europeo, aunque tuvieramos las starships operativas, la ESA no lanzara sus cargas en cohetes que no sean europeos simplemente para mantener contento a los politicos y paises participantes, pagando por cohetes carisimos y de prestaciones muy inferiores

    1. Eso no solo lo hace la ESA. Es la política de China, Rusia, India, Japón… Y los propios EEUU.

      Ningún responsable gubernamental de ningún país que esté en su sano juicio va a renunciar a lanzar cargas al espacio con sus propios cohetes para beneficiar a una empresa extranjera. Sólo en el marco de una colaboración intergubernamental es posible tal cosa.

  6. Entonces, con misiones livianas y veloces puedo internarme por ejemplo en los vecindarios de Júpiter o Saturno, dejo el artefacto científico, mientras vuelvo, recargo hidrógeno de algún modo, tomo una nueva carga, salgo a otra misión y más o menos así, no?
    Que interesante artículo. Me da mucho entusiasmo.

    1. En el diseño de misión propuesto en el paper, la etapa NTP es desechable… «volver» es un pelín complicado 😉

      https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2021/pdf/1613.pdf

      Página 2… Mission Design

      …The first phase consists of Earth escape phase. During the Earth escape phase, the spacecraft departs from low Earth orbit using NTP powered system. The second phase of the spacecraft is the coasting phase. During this phase, heliocentric propagator is used without any active propulsion system to determine the spacecraft’s expected trajectory. The NTP injection stage is separated from the spacecraft after the Earth escape maneuver. The third and last phase of the trajectory consists of planetary capture and orbital insertion phase…

      The mission design demonstrates that the spacecraft with total wet mass of 4350kg using a highly efficient NTP injection stage in expendable mission mode can be delivered to Jupiter in 2.1 years using a single high-class commercial launcher…

      1. Y digo yo (otra de mis paranoias de reutilización habituales):

        Ya que tienes un REACTOR NUCLEAR EN SERVICIO en el espacio lanzado junto a la sonda… ¿no hay manera de diseñar el sistema de forma que, una vez agotado el combustible de la NTP, se deseche EL TANQUE (más tobera, conducciones y demás) y se quede el reactor dándole «chicha» a la sonda?

        Joder, es que es un desperdicio del copón.

        Es más… Yo la diseñaría anidada, de forma que pasada la etapa NTP, me deshago del tanque y de la tobera, y paso a alimentar un sistema iónico CON EL MISMO REACTOR, esta vez con un pequeño depósito de xenón o similar (la iónica no necesita mucho combustible).

        Ya que lanzas un reactor, ¿a santo de qué dejarlo ahí, FUNCIONANDO, en una etapa ABANDONADA Y VACÍA?

        1. Pasa que el reactor nuclear de la propuesta está diseñado para ser muy simple, barato (low enriched uranium), pequeño y liviano. Su único propósito es generar calor, no electricidad. Calor que es evacuado mediante el hidrógeno propelido. Agotado el hidrógeno, agotado el «refrigerante», y adiós reactor.

          Para hacer posible lo que comentas es necesario un reactor nuclear «empaquetado» en un diseño muy distinto que incorpore un sistema de conversión termoeléctrica (termoiónico, o turbinas de ciclo Brayton, o pistones de ciclo Stirling, etc.) y un sistema refrigerante/radiador propiamente dicho. Todo eso abulta, pesa, encarece, y es complejidad añadida más propensa a fallos.

          Como ser posible es posible, y sería lo ideal, estamos de acuerdo… pero… si algo hemos aprendido del TEM NEP ruso (Nuklón) es que eso no resulta tan sencillo como podría parecer 😉

    2. La etapa que comenta Daniel es SOLO para salir de órbita terrestre. Almacenar hidrógeno durante años no es factible, así que el motor se deshecha en cuanto se sale de órbita terrestre. Saludos.

      Con nuclear y motor iónico sí que sería posible un viaje de ida y vuelta, porque el gas impulsor es fácil de almacenar. Claro que los motores iónicos tienen una aceleración mísera (aunque un impulso específico enorme), de ahí que haya quienes estén interesados en un motor nuclear térmico en lugar de uno iónico.

      Saludos

  7. Starship como lanzador de sondas

    Modo 1- Una Starship standard puede poner en órbita una sonda nuclear de hasta 100 toneladas.
    A partir de ahí, la sonda parte hacia el espacio profundo y la Starship vuelve a casa.

    Modo 2- Una Starship Lite desechable (sin TPS, tren de aterrizaje, header tanks, Raptors SL…) y repostada en HEO (órbita elíptica alta) puede impartir un ∆V inicial considerable a la sonda.

    Elon sugiere usar el Modo 2 y lo amplía desplegando docenas de sondas basadas en Starlink una vez completado el impulso de la Starship Lite:

    Everyday Astronaut:
    «How will Starship do interplanetary probe missions?»

    Elon:
    «Massive delta velocity slam from highly elliptical Earth orbit using a fully retanked, but lightened up Starship with no heat shield or fins/legs. Best choice for the impatient. Ion engines are too slow.»

    Everyday Astronaut:
    «I’m actually shocked you’d even consider an expendable StarShip upper stage instead of just delivering a kick stage!»

    Elon:
    «Probably no fairing either & just 3 Raptor Vacuum engines. Mass ratio of ~30 (1200 tons full, 40 tons empty) with Isp of 380. Then drop a few dozen modified Starlink satellites from empty engine bays with ~1600 Isp, MR 2. Spread out, see what’s there. Not impossible.»

    https://twitter.com/elonmusk/status/1111798912141017089

    Tanto el Modo 1 como el 2 resultan en una forma baratísima de poner sondas (nucleares o no) en órbita y lanzarlas al espacio profundo. Además, el tamaño de la cofia es el mayor que existe: 8 metros o más de diámetro y más de 20 m de largo.
    Starship también puede revolucionar el lanzamiento de sondas.

    1. Esa nave propuesta en el primer párrafo de Daniel, con un Isp de 900, tendría un dV de unos 7700 m/s para la sonda de 4,8t. Una SS desechable ligerita (unas 80t) repostada en LEO a tope, y llevando esa sonda como carga, ya tendría un dV cercano a 10.000 m/s, sin nada nuclear.

    1. Creo que sí.
      Es cuestión de dinero, tiempo y ver como alimentar una antena del tamaño de una casa para retransmitir la información, aunque la propuesta de usar la vela solar como parabólica es muy eficiente en ese sentido.

    2. Si te refieres a un viaje interestelar a una velocidad tal que la misión pueda ser llevada a término en unas pocas décadas, la respuesta es NO.

      Propuestas hay muchas, pero hay que desarrollar tecnologías clave. Esto es, sabemos que con unas extrapolaciones aceptables de la tecnología conocida sí podríamos enviar una sonda interestelar a Próxima Centauri a echar una ojeada rápida, pero haría falta mucho trabajo, mucho desarrollo y, en fin, mucho dinero, para poder hacerlo.

      Supongo que en la segunda mitad de este siglo o en la primera mitad del XXII (vamos, que ninguno de los presentes estará aquí para decir que me equivoqué en el pronóstico) se intentará abordar algo parecido al proyecto Breakthrough Starshot de propulsión de nanosondas con velas interestelares con láser o similar, pero para ir más allá y enviar sondas robóticas pesadas… Es cosa de nuestros tatataranietos, como poco.

      1. Yo no enviaría una sonda, sino una nanosonda auto replicante, que sea capaz de llegar, captar energía de una estrella, acumular polvo o minerales y crecer al tamaño de una gran sonda, con la información de la nano sonda imprimo partes de la nave hasta alcanzar tamaño crítico para explorar. Y le enviaría instrucciones cada cierta cantidad de años para indicarle la misión.

    3. Hola Paco! Ya existe y ya lo hicimos, con las Voyager 1 y 2 y Pioneer.

      Pero 4 décadas de viaje tan sólo para que salgan del sistema solar no es ideal. Daniel Marín hizo un blog hace unos años de cómo podríamos hacer una misión interestelar, el cuál pienso que resolverá todas tus dudas.

      Si por interestelar te refieres a abandonar el sistema solar, sí podríamos hacerlo; y en un tiempo razonable. Tecnologías cómo Starship, motores nucleares, quizás velas solares, podrían hacerlo un viaje de 15-20 años.

      Si te refieres a ir a un exoplaneta, o a otra estrella, es imposible (con el permiso del proyecto Breakshot que está ya más apagado que nada). Quizás a finales de siglo podamos pensar en una fecha para un viaje a otra estrella.

      1. Daniel escribió unas cuantas entradas sobre el tema 😉

        Las entradas más antiguas suelen padecer el problema de imágenes low res faltantes y/o el de imágenes high res faltantes.

        Así pues, a continuación listo las entradas afectadas por duplicado… la actual versión en Naukas (más legible, carga rápida, pero con problemillas de imagen) y la versión original de Blogspot archivada en Internet Archive (Wayback Machine)…

        Eligiendo estrellas para la primera misión interestelar
        2011/06/22 … NaukasWayback Machine

        Cómo viajar a Alfa Centauri
        2012/10/18 … Naukas

        Sondas interestelares: los emisarios de la Humanidad más allá del Sistema Solar
        2012/11/27 … NaukasWayback Machine, es la 4ta entrada listada en ese «archivo mensual», ni la entrada propiamente dicha ni las imágenes hi-res están archivadas ahí pero de ahí es posible rescatar los enlaces a las imágenes hi-res que «de algún modo» todavía existen en blogspot…

        Imagen 01La sonda Interstellar Explorer de la NASA se aleja del Sol gracias a los motores iónicos de xenón, cuya luz azulada le da un aspecto fantasmagórico a la nave (NASA).
        Imagen 02La heliosfera y la heliopausa (Wikipedia).
        Imagen 03Distancias interestelares en escala logarítmica (NASA).
        Imagen 04Concepto original de la sonda TAU con el reactor nuclear y el sistema de propulsión iónico. Se aprecia la antena de alta ganancia y el orbitador de Plutón (NASA).
        Imagen 05Versión posterior de TAU con el telescopio en el cuerpo central de la sonda. El RTG se aprecia en uno de los brazos (NASA).
        Imagen 06Vela solar de la Interstellar Probe de 1999 (NASA).
        Imagen 07Trayectoria de Interstellar Probe (NASA).
        Imagen 08Diseño inicial del Interstellar Explorer de 2000 (NASA).
        Imagen 09-A (render bonito) e imagen 09-B (esquemas) – Interstellar Explorer de la NASA con la antena de tipo lente de Fresnel (NASA).
        Imagen 10La sonda interestelar IIE sobrevuela Júpiter para ganar velocidad antes de abandonar el Sistema Solar (NASA).
        Imagen 11La sonda IIE (NASA).
        Imagen 12Posible diseño de la sonda IHP europea (ESA).

        Diez avances tecnológicos que podrían revolucionar la conquista del espacio
        2013/01/29 … NaukasWayback Machine

        Una vela solar eléctrica para viajar a Urano en cinco años
        2014/01/15 … Naukas

        Cómo viajar al hipotético noveno planeta del sistema solar
        2016/01/22 … Naukas

        ¿Cómo frenar una vela láser para estudiar Próxima b?
        2017/02/06 … Naukas

        Asistencias gravimagnéticas con velas de luz para viajar a Alfa Centauri
        2017/12/02 … Naukas

  8. «si no se activa, —o se activa pero no logra salir de la órbita baja— la etapa permanecerá en órbita durante más de un siglo, tiempo más que suficiente para rescatarla o colocarla en una órbita todavía más alta»

    A esto añadiría yo que, en caso de que se encendiera el reactor y no lograra salir de órbita terrestre, la radiactividad del mismo decaería enormemente en un siglo. No tanto como para volver a los niveles pre-encendido pero sí para librarte de los productos de fisión de vida muy corta (I-131…) y de la mayor parte de los de vida corta (Cs-137, Sr-90…).

    Lo que no tengo muy claro es hasta qué punto te penaliza llegar «a toda velocidad» a destinación si te has deshecho del NTP. Me explico: una sonda en ruta directa a Júpiter, que tarda dos años en llegar, tendrá que deshacerse de un delta-V bastante grande una vez llegue allí. Si, según dice el artículo, se ha desprendido del NTP en cuanto ha salido de la Tierra, la maniobra de frenado en Júpiter la tendrá que hacer sí o sí mediante combustible químico. Un gran delta-V y combustible químico hacen mala combinación…

    En resumen, salvo porque te evitas una larga fase de aceleración, no termino de ver que esta tecnología sea realmente superior a la propulsión iónica «tradicional».

    Saludos

    1. Entiendo que la aceleración aportada no implica pasarse de largo y permitir que la propia trayectoria, más otros motores tradicionales de ajuste y tal vez, incluso algo de frenado atmosférico, no permitan la inserción orbital.

    2. Siempre podrás intentar hacer un aerofrenado en la alta atmósfera de Júpiter, por ejemplo. Recordad la novela «2010, Odisea Dos» de Arthur C. Clarke. Difícil pero posible. Y una vez frenada la sonda y en órbita de Júpiter, con un sistema de propulsión químico o eléctrico y el propio campo gravitatorio del gigantón podría recorrer todo el conjunto de lunas.

      1. Para una sonda es factible pero para una nave tripulada es, de momento, ciencia ficción. En cuanto te acercas a Júpiter la cosa se pone bastante fea en términos de radiación.

        https://www.cosmos.esa.int/documents/1866264/3219248/RoussosE_Roussos_Voyage2050_Jupiter_Radiation_Belts.pdf/d40b6389-612f-33f3-6e37-5dcc707811be?t=1565184658455

        Es por ello que nunca veremos un orbitador en Ío y que incluso en Europa sea una tarea titánica. La NASA tuvo que hacer que Europa Clipper fuera sonda de sobrevuelo en lugar de orbitador por este motivo y la ESA tuvo que rediseñar JUICE para que sobreviviera a unos pocos sobrevuelos de Europa.

        Y, aunque podemos diseñar sondas altamente resistentes a la radiación los humanos somos lo que somos y unos minutos en la zona de radiación más intensa son simplemente mortales. O llevan un blindaje de la leche u optan por cruzar en órbita polar, eludiendo así la mayor parte de la radiación.

        Saludos

        1. La sonda espacial JUNO iba a estar expuesta a altos niveles de radiación especialmente al pasar por los cinturones de radiación de Júpiter y se decía que eso la degradarían rápidamente a la sonda hasta dejar de funcionar, y sin embargo ahí esta como si nada con una misión extendida hasta el 2025.

          1. Juno está en una órbita polar, eludiendo lo más peliagudo de los cinturones de radiación. Lo cual no deja de tener su mérito, claro. Pero si quieres estudiar los satélites es casi obligatorio ponerte en una órbita ecuatorial y allí es donde la cosa se pone muy fea a la altura de Europa y de Ío.

          2. Sobre la sonda espacial JUNO,
            el 7 de junio de 2021 hará un sobrevuelo sobre Ganimedes;
            el 29 de septiembre de 2022 hará un sobrevuelo sobre Europa;
            y el 30 de diciembre de 2023 y el 3 de febrero de 2024 sobrevolara Io.

          3. Imposible no es, obviamente. También Cassini hizo sobrevuelos de Titán en una órbita fuertemente inclinada y la Solar Orbiter hará sobrevuelos de Venus en una órbita fuertemente inclinada. No obstante, se presentan dos problemas:

            1 – El delta-V para inserción orbital es mayor, lo de que deja -de momento- esta opción solo para sobrevuelos
            2 – Solo se pueden efectuar maniobras de asistencia gravitatoria desde dos puntos de la órbita (el nodo ascendiente y el descendiente), lo que limita las posibilidades.

            En resumen, los sobrevuelos de cuerpos desde órbitas altamente inclinadas no suelen ser el objetivo primordial, sino consecuencia de este.

            Ahora bien, me encantará ver esas imágenes de Juno 😉

  9. Ojalá dejemos ya los prejuicios aparte y nos pongamos a desarrollar esta tecnología. Con un poco de suerte, cumpliremos el sueño de Sagan y podremos ver si hay calamares en Europa (o ballenas en Encélado) antes de «entrar dóciles en la buena noche». ;-P

  10. Interesante entrada sobre una solución muy cuestionable a la propulsión espacial.

    En mi opinión, el mayor obstáculo para viajar rápido y lejos en el espacio es que seguimos basándonos en recursos terrestres que son tremendamente costosos y peligrosos de lanzar, y que duran poco ahí fuera, como los motores, aunque fueran nucleares, y propelentes, en vez de usar recursos que ya están en el espacio y tienen duración indefinida, como la microgravedad y la radiación solar.

    Estoy pensando, por ejemplo, en enormes velas solares fabricadas en microgravedad, quizá en una órbita lo bastante alta como para no ser un obstáculo para la navegación y para la observación astronómica. En ese entorno se podrían producir espumas extremádamente livianas, mucho más que los aerogeles que se producen en tierra. Un material así ofrecería una enorme superficie a la radiación solar a la vez que sería lo bastante robusto como para resistir su empuje sin deformarse. Con una vela solar de ese material, que podría tener dimensiones kilométricas con muy poca masa, tendríamos empuje suficiente incluso en el sistema solar exterior.

    1. Aún así hay que lanzar al personal cualificado que fabrique esas veas, las enormes maquinarías que habria que lanzar para poner en marcha una fabrica de recursos a base de asteroides y hielo cometario o de la luna.
      Lo que propones no se si lo veré en vida, requiere de una ingente cantidad de recursos solo para ponerlo en marcha, mantenerlo ni te cuento.

      1. En mi opinión, los recursos para las velas solares podrían venir de la Tierra, seguramente más eficiente que de NEO. Otra cosa es si se construyeran lejos de nuestro planeta.

        El tema es si un sistema como el Starship funcionará y abaratará tanto el transporte a LEO. Si se consigue, creas tu factoría espacial, transportas pasajeros y carga con frecuencia y construyes naves con enormes velas solares. También me parece interesante la propulsión tipo Magbeam usando SBSP (plantas solares espaciales) pero ni idea de como de viable sería.

      2. No creo que se necesitasen tantos recursos. Quizá poco más que una impresora 3D que funcione en el vacío en ingravidez, y un material diseñado a propósito para expandirse en el vacío.

        Ya hay empresas que están desarrollando la fabricación aditiva en el espacio. Que se fabrique una vela solar es más que nada cuestión de diseño y decisión.

    2. Usted esta pensando como si estuviese un siglo mas adelante, ya quisiera yo propulsión con anti-materia.
      Mientras llegamos a mejores formas de propulsión, los combustibles químicos son la forma de propulsión tradicional y los motores ionicos; con los recursos que obtenemos en la Tierra. Un paso mas adelante es la propulsión nuclear NTP.
      -“No faltara el medio-ambientalista no pensante preocupado por que contaminemos el espacio exterior”-

    1. El reactor se lanza apagado y, en ese estado, no es peligroso. Se encendería en órbita (aprox 1000 km) donde, si hay un fallo, no caería a la superficie hasta pasado mucho tiempo (y la mayor parte de la radiación habría desaparecido). Una vez fuera de órbita terrestre, ya no tienes que preocuparte de nada. En resumen, no veo ningún impedimento mayúsculo de seguridad que impida desarrollar esta tecnología. Saludos.

  11. Disculpad mi ignorancia, pero por qué cuesta más enviar sondas a los planetas con mayor gravedad? El sentido común me diría que sería más fácil.

          1. ¿Qué tienen que ver los planetas interiores con la pregunta inicial? A ver, que os estáis liando, una cosa es que ir a Mercurio cueste mucha delta de V porque no quieres caer en el pozo gravitacional del sol y otra muy distinta que cueste más o menos llegar a un planeta porque tenga mayor o menor gravedad. Vamos, nada que ver…

  12. Muchas gracias por todo, Daniel, me encantan tus artículos. Hay un tema que no sé si se ha explicado bien: un reactor nuclear no se puede desactivar, en el sentido de que siempre es radiactivo. Lo único que puede hacerse es controlar la reacción en cadena y en un momento dado detenerla. Pero ¿que pasaría si durante el despegue sufriese un accidente y se desintegrara? ¿No quedaría una enorme área de la tierra o del océano irremediablemente contaminadas con elementos fisibles: uranio o en el peor caso plutonio? ¿Sabes cuales son las medidas de contingencia para estos supestos?
    Muchas gracias

    1. Si ocurriera un accidente muy meticuloso que picara el reactor en pedacitos tamaño confetti seria un desastre. O sea, si todo va mal, pues todo ira mal. Pero se confia en la baja probabilidad que confiere un buen diseño. Ademas viene con una etiqueta que dice: «Ningun ingeniero cubridor de relevos de Chernobyl fue empleado en el diseño de este reactor»

      Seria bueno montarlo dentro de un LAS.

  13. Si con «planetas con mayor gravedad» te refieres a los planetas más grandes (Júpiter, Saturno,…), no es por que su gravedad sea grande, sino porque están en una órbita lejana. Cuesta más ir a Plutón, que es «enano».

  14. Pues aunque los antinucleares fueran a montar el mismo numerito que cuándo se lanzó a Cassini, esto es vital si queremos que una misión al Sistema Solar exterior no sea algo que lleve décadas, de las cuales el viaje sería con mucha diferencia lo que más llevara, sobre todo sobrevuelos.

    Esto aparte de para misiones tripuladas a su tiempo, que el tipo de megacohetes necesarios sin propulsión nuclear que empequeñecieran a la Starship seguro que tendrían su impacto ambiental, también valdría para interceptar cuerpos como Oumuamua, e incluso misiones fuera de la heliosfera estilo la TAU.

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