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. Gran artículo Daniel Ojala que se pueda sacar adelante algúna de estás etapas de propulsión nuclear por qué la verdad es que no quiero terminar de siendo un geronte cuánto se llege la sonda que aterrise en Europa pero siendo sincero lo dudo no hay voluntad política de desarrollar algo así y menos de tranquilsar a los ecologistas radicales 😒

  2. Bien, esto podría hacer mas frecuente las misiones al Sistema Solar Exterior. Y quien sabe, quizas abriria los viajes tripulados al Espacio Profundo. Un viaje a Marte no sería de 6 meses, sino mucho menos.

    A todas estas:¿ Que es de la vida del motor VASIMR del ex astronauta Franklin Chang-Diaz? ¿Funcionará luego de mas de 40 años en desarrollo? En teoría, acortaría el viaje a Marte a 1 mes.

    1. Hace una década, las tres tecnologías clave del futuro eran, según muchos aficionados en los foros:

      – VASIMR
      – Skylon
      – Helio 3

      Tiene gracia, haha. ¿Qué fue de ellos?
      Como dijo un sabio:

      Al final, la Realidad se impone.

      PD: Dado que Elon se impone siempre, deduzco que Elon es, en secreto, la Realidad.

  3. La gran pregunta es cuánto cuesta esta etapa propulsora. No hablo ya del desarrollo, sino por misión. Porque si la etapa es más cara que la propia sonda, realmente y salvo para misiones muy concretas, destinadas a las zonas más exteriores del Sistema Solar, no le veo aplicación. Se quedaría en algo anecdótico, algo así como lanzar una sonda a Urano con el SLS, por decir algo.
    Aunque el tiempo cuesta dinero, el ahorro en tiempo tiene que merecer la pena comparado con el ahorro en lanzador.

  4. En la primera de las referencias se indica:
    – Captures at outer planets are into elliptical orbits with apoapses at moons’ distances
    – Capture is done with storable prop (Isp = 320 sec)

    Es decir, calculan para orbitadores. Frenan con motor químico lo justo y a partir de ahí asistencias gravitatorias con las lunas de los gigantes para «bajar» la órbita.

    Me parece un concepto super interesante. Me pregunto… ¿Sería razonable sustituir el hidrógeno por Helio? El Isp bajará a de 850 s a ¿600 s? en el impulso «de salida» pero sube de 320 s a 600 s en el impulso «de llegada» y te ahorras el motor químico y puede que masa de tanques de combustible.

    Ojalá se desarrollara y pudiéramos ver al fin sondas a todo el sistema solar exterior. ¡Qué bonito es soñar!

    1. Hombre Hilario, yo es que creo que os pasáis, con PLDspace con Elon… mira el otro día a la señora Musk, tuvieron que ingresarla por una crisis de ansiedad, de seguro que estuvo leyendo vuestros comentarios por Eureka 😉 Raúl es un español de pura cepa, normal que se enfrente con brío a la adversidad

      Yo si creo que lo pueda conseguir, menos futuro le veo a la compañía de los que se bajaron del barco que a la suya

  5. Gracias por el artículo Daniel. Lo que no me queda claro es si hablamos de una segunda etapa nuclear y si entonces la primera etapa tiene suficiente potencia como para dejarla en órbita. A lo mejor con un sistema de 3 etapas sería más fácil.

    1. Si vuelves a leer el artículo de Daniel, verás que dice que el motor nuclear se activará una vez en órbita por cuestiones de seguridad y «opinión pública».

      La idea es que las etapas NTR sirvan para inyectar la carga útil en una trayectoria interplanetaria, no para subir esa carga a órbita.

    1. Pues me alegro muchísimo, es algo de lo que hablé varias veces en el foro y se me crujió por todas partes

      Espero que tengan la capacidad de ver que el abaratamiento del acceso al espacio vía Spacex les puede abrir las puertas a hacer muchas cosas interesantes en el espacio (no creo que vayan por ahí pero ojalá)

      1. Pues sí. Y hay que agradecérselo a Catalunya, si no es por aquellas iniciativas de las agencias espaciales autonómicas igual no se hubieran decidido nunca a crear la española

  6. Es que parece ser que hay como una especie de policía extraterrestre de control que impedirian estos artefactos con propulsion nuclear. Ellos estan pendientes de que no contaminemos el espacio u otros planetas con tecnología nuclear. Pero claro, esto es solo lo que dicen los contactados. No hay que tomar esto en serio pero tambien ser conscientes de utilizar mejor energías límpias que no contaminen.

    1. Es que no entienden que los físicos se oponen al desarrollo del impulsor de improbabilidad infinita por lo que supondría para la Física. Y algo similar para el propulsor bistromático, que a la hostelería no le iba a gustar demasiado que se supieran los principios de su funcionamiento.

    2. Sabes si la policía extraterrestre de control ficha en su jornada laboral? Hacen 8 horas? Igual echaré un currículum, para ver si me pillan. Si no admiten terrestres, pienso quejarme al organismo anti-xenófobia.
      Aunque quizás actúe de doble agente : impidiendo el desarrollo de tecnología nuclear y para los lobbies pro nuclearización (Como bill gates, que también es un doble agente).
      Lo único limpio es no existir desde mi punto de vista, pero si pagan bien, tengo otros principios.

    3. Hombre ya que hablamos de ecología y no «contaminar » el espacio radioactivo con alguna pequeña radiación humana; podríamos usar propulsión por fabada asturiana. Me explico; a los astronautas les damos, única y exclusivamente fabada y usamos su pedorreria como gases para propulsar la nave. Alimenta y es ecológico que te cagas

  7. Si se monto un pollo por que los Chinos dejaron caer de forma incontrolada una fase, no quiero pensar la que se montaría mediaticamente con un sistema de propulsión nuclear. Y si pasara algo…. ya ni hablamos (Que aquí en España aun le estamos dando vueltas a lo de Palomares)… Si fuera por nuestros políticos (en este caso quizá culpar a los políticos no sea razonable, pues existe una poderosa conciencia antinuclear en amplias capas de la sociedad) , los cohetes seria tan verdes que funcionarían con alfalfa.

    A mi parecer cuando se habla de lo nuclear el debate no es tanto técnico como Social.

  8. Que magnífico artículo, Daniel! La energía nuclear es la herramienta a usar para la exploración interplanetaria. Ya va siendo tiempo de dejar atrás los prejuicios respecto de ella.

  9. Un articulo muy nuclear.

    Me quedo , en mi ignorancia, con la posibiidad de usar distintas tecnologias combinadas ya que explicais que el H es muy puñetero, el ion muy lento, y la quimica ni hablar mas alla de marte …. asique .. un buen empujon quimico + luego nuclear y de mantenimiento prolongado el ionico para progresar. A ver ese plasma para cuando?

    Esto del pozo gravitatorio es un verdadero coñazo. Al fuego con fuego se le combate (¿para cuando el anti-graviton?)

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