Una de las víctimas colaterales de la invasión de Ucrania por parte de Rusia ha sido el rover europeo Rosalind Franklin. Debía haber sido lanzado rumbo a Marte en la misión ExoMars 2022 en colaboración con Rusia, pero se quedó en tierra tras comenzar las hostilidades por decisión de la Agencia Espacial Europea (ESA). No está claro cuándo se podrá lanzar el rover, si es que alguna vez logra despegar, pero incluso aunque logre asegurarse un billete al planeta rojo, deberá lidiar con un problema fundamental: las bajísimas temperaturas de la noche marciana. Para hacer frente a la enorme diferencia de temperaturas, el rover Rosalind Franklin ocultaba un pequeño secreto: el uso de calefactores a base de plutonio-238 (Pu-238). En efecto, a pesar de ser un rover de energía solar, los RHUs (Radioisotope Heater Units) eran esenciales para garantizar que el vehículo no sucumbiese durante el primer invierno marciano. De hecho, uno de los éxitos de las relaciones públicas de la NASA es haber hecho olvidar que los famosos rovers marcianos Sojourner, Spirit y Opportunity sí llevaban RHUs (3 y 8 unidades, respectivamente). Efectivamente, estos entrañables robots también eran «rovers nucleares». Sin estos calefactores a base de plutonio, los rovers tendrían que haber dedicado más de una quinta parte de su potencia eléctrica a mantener las temperaturas adecuadas, por lo que con toda seguridad su vida habría sido mucho más corta.

Pero, parafraseando a los clásicos, el plutonio-238 no es algo que se pueda comprar en una farmacia. En el caso del Rosalind Franklin, este carísimo y escasísimo isótopo venía de Rusia. Y, sin Rusia, no hay RHUs, porque Europa occidental no dispone de reservas de plutonio-238. No es la primera vez que la falta de plutonio ha supuesto un problema para la ESA. Si la sonda Philae hubiese llevado RHUs, o generadores de radioisótopos (RTG, Radioisotope Thermoelectric Generator, que además de calor también generan electricidad), seguramente habría podido sobrevivir más tiempo en la superficie del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko y completar su misión (por contra, la sonda europea Huygens que aterrizó en Titán llevaba 35 RHUs de la NASA). Los RTGs y RHUs reciben la denominación colectiva de RPS (Radioisotope Power Systems) y actualmente solo hay dos naciones que dispongan de plutonio-238 para su uso en RPS, Rusia y Estados Unidos, aunque de forma desigual. Estados Unidos paró la producción de plutonio-238 en 1988, por lo que entre 1992 y 2010 la NASA se vio obligada a comprar Pu-238 a Rusia para sus sondas espaciales con el fin de no mermar demasiado las reservas de este material. En 2013 comenzó a producir plutonio-238 de nuevo, pero se trata de un proceso muy lento y llevará muchos años alcanzar unas reservas importantes (los MMRTG que llevan Curiosity o Perseverance usan unos 5 kg de dióxido de plutonio-238 cada uno, de tal forma que si estas reservas no se repusieran, la misión Dragonfly a Titán será la última que pueda llevar RTGs de este isótopo).

En cuanto a Rusia, la producción de pequeñas cantidades de Pu-238 se mantiene en los reactores de la región de Oziorsk y en la planta de Beloyarsk. Roscosmos cuenta con unas considerables reservas cuya cantidad precisa no es pública. Sabemos, no obstante, que Rusia ha suministrado plutonio-238 a China para su uso en las misiones lunares Chang’e 3 y Chang’e 4, lo que ha permitido que estas sondas duren años en la superficie de la Luna. El plutonio-238 no tiene ninguna aplicación militar (el Pu-239 es el isótopo que se usa en las armas nucleares). En efecto, la única aplicación del Pu-238 que vale la pena es su utilización en RPS. Se obtiene mediante un lento y costoso procedimiento a partir del neptunio-237, que a su vez se crea del uranio-235 en los reactores de fisión. Entonces, ¿por qué Europa no dispone de plutonio-238 para sus propias misiones espaciales? Pues, básicamente, porque, como decíamos, es un proceso muy lento y muy caro y que requiere de instalaciones específicas y de una colaboración entre naciones (Reino Unido, Francia o Bélgica, por ejemplo) que, por otro lado, no están muy dispuestas a compartir detalles técnicos de su industria nuclear para sintetizar un isótopo que únicamente sirve como generador de energía para sondas espaciales.

Para que nos hagamos una idea del reto al que nos enfrentamos, la síntesis de Pu-238 pasa por filtrar y separar los residuos de un reactor donde se reprocesa material fisible hasta obtener una solución de nitrato de neptunio con una concentración de, al menos, 1,4 gramos por litro. Luego hay que eliminar el protactinio-233 de esta solución debido a que es un emisor de radiación gamma —esta peligrosa radiación encarece todo el proceso de manejo y traslado de estos isótopos— y, a continuación, se convierte el neptunio en polvo de dióxido de neptunio, un compuesto estable. Este polvo se comprime en pequeñas cápsulas o bolitas para ser irradiadas en un reactor con un elevado flujo de neutrones. Estos neutrones transforman el neptunio-237 en neptunio-238, que decae en plutonio-238 vía desintegración beta. La irradiación de los blancos de neptunio requiere diversos ciclos de varias semanas de duración cada uno y es un proceso que hay que afinar para equilibrar la máxima producción de Pu-238 con respecto a la proporción de otros isótopos del plutonio. Luego estos blancos hay que enfriarlos en una piscina de un reactor durante uno o dos años con el fin de permitir que se desintegren otros productos indeseados, como el Pu-236 (otro isótopo que genera gran cantidad de rayos gamma).

¿Esto es todo? Pues no. Los blancos irradiados luego hay que disolverlos en ácido nítrico para aplicar un proceso químico que permita separar el nitrato de plutonio obtenido del resto de compuestos (el neptunio recuperado en este proceso puede volver a usarse para crear más Pu-238). El nitrato de plutonio luego se convierte en polvo de dióxido de plutonio, pero solo se podrá usar en RPS si la concentración de Pu-238 supera el 85%. Este polvo luego tiene que manipularse y comprimirse para formar pequeñas cápsulas cerámicas que se meten dentro de envolturas de una aleación a base de iridio. Ahora ya podemos fabricar nuestros propios RPS. Si todo esto te parece difícil, ya te digo que se trata de un proceso mucho más complejo de lo que he descrito en este pequeño resumen. Y además, es un proceso lento. Un reciente estudio estimaba que Europa tardaría entre doce y veinte años (!!) en lograr una producción anual de 300 gramos una vez comenzase el procesado de neptunio. Esto significa que a estos plazos debemos sumar más de quince años para disponer de los 5 kg de dióxido de Pu-238 que necesita un MMRTG actual (el periodo de tiempo preciso dependerá de la pureza de plutonio-238 de las reservas, entre otros factores). Con estas dificultades, podemos valorar mejor el logro que supone disponer de 35 kg de Pu-238, que son las reservas actuales de las que dispone la NASA, sin contar con el plutonio sintetizado en los últimos años (no obstante, menos de la mitad de este plutonio es apto para ser usado en misiones espaciales).

Entonces, ¿qué podemos hacer? ¿Debemos renunciar a disponer de nuestros propios RPS? No necesariamente. Hace un par de décadas la ESA realizó varios estudios que favorecían el americio-241 frente al plutonio-238 para fabricar RPS. El Am-241 produce menos energía por unidad de masa que el Pu-238 (entre el 20% y el 25%), por lo que hace falta un RTG con el doble de masa de americio, aproximadamente, para producir la misma energía eléctrica que uno de plutonio (como vimos, la síntesis de Pu-238 genera un notable porcentaje de otros isótopos). El americio-241 tiene otras desventajas, siendo la principal que se trata de un importante emisor de rayos gamma. Pero la síntesis de americio-241 es un proceso muchísimo más rápido, y, sobre todo, barato, ya que se obtiene a partir del plutonio-241 presente en el combustible gastado de los reactores de fisión. El Pu-241 tiene una vida media de 14 años y se desintegra en Am-241. El combustible gastado de determinados reactores puede tener hasta un 11% de Pu-241, por lo que es mucho más abundante que el neptunio y no es necesario implementar un proceso tan complejo como el de la síntesis de Pu-238 para disponer de americio (el Am-241 también se usa en detectores de humo, pero harían falta tres millones de estos aparatos para recopilar un solo gramo de americio). Además, el americio posee una ventaja que puede ser fundamental para un tipo de misión concreto: las sondas interestelares. El Am-241 tiene una vida media de 432 años, mientras que la del Pu-238 es de 88 años, así que para una misión lanzada hacia el espacio interestelar que dure muchas décadas puede ser más efectivo el americio que el plutonio.

Aunque se han llevado a cabo varios estudios, todavía nadie ha fabricado un RTG o un RHU de americio-241. Todavía no está claro si es mejor usar dióxido de americio o trióxido de americio —u otro compuesto— como base para estos sistemas (el polvo de trióxido de americio es más sencillo de comprimir en cápsulas cerámicas, pero tiene otras desventajas). Tampoco sabemos con certeza qué materiales son los mejores para encapsular los compuestos de americio o la geometría ideal de las cápsulas de este isótopo (sí se sabe que la fabricación de cápsulas a base de polvo de óxido de americio es más compleja que las de óxido de plutonio). Por tanto, antes de embarcarse en un proceso a gran escala de síntesis de americio-241, primero habría que construir prototipos de RPS para asegurarnos de que el uso de este isótopo es mucho más barato con respecto al Pu-238 (se calcula que un RPS de Am-241 sale por un 20% del coste de uno con Pu-238). Con el fin de aclarar estas dudas, la ESA ha puesto en marcha el programa ENDURE (EuropeaN Devices Using Radioisotope Energy) para desarrollar RPS europeos a base de americio. Por el momento, ENDURE ha asegurado una financiación de 29 millones de euros. Si sigue adelante, a partir de la próxima década la ESA podría disponer de sus propios RPS.

¿Y no hay más elementos radiactivos? Desgraciadamente, no. Otros isótopos tienen una vida media más corta o son más difíciles de sintetizar o emiten radiaciones más peligrosas o requieren de una gran cantidad de material para generar energía o… Por ejemplo, el polonio-210, usado en RPS soviéticos en las misiones Lunojod y en sistemas terrestres, tiene una vida media de tan solo 138 días, insuficiente para una misión que pueda durar años (sigue siendo, no obstante, un isótopo a considerar en algunas misiones lunares). Hay otra alternativa, que es olvidarse de los RPS con isótopos difíciles de producir y pasar directamente a los reactores de fisión en el espacio. Esta opción es la que parece haber seguido China, que está desarrollando reactores de fisión para su uso en sondas a Neptuno y al medio interestelar, además de otras aplicaciones espaciales. Tradicionalmente se ha considerado que una nave que gaste menos de cien kilovatios es mejor que emplee RPS en vez de reactores, pero China podría no seguir esta norma en el futuro. En cualquier caso, Europa debería comprometerse ya mismo si queremos dejar de depender de otros países para nuestras misiones espaciales más ambiciosas.

Referencias: 

• https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/Tomorrow_s_technology_at_ESA
• https://www.belspo.be/belspo/space/doc/Presentations/20220930_Info_Day_Belspo/7_20220930_Presentation_ESA_Technology_GSTP.pdf
• https://www.nnl.co.uk/2023/03/new-contract-from-the-european-space-agency-to-accelerate-work-on-americium-241/
• https://nebula.esa.int/sites/default/files/neb_study/2610/C4000135477ExS.pdf
• https://international.andra.fr/sites/international/files/2019-08/Fiche%20projet%20RTG%20UK.pdf