Actualmente no hay ningún plan firme para mandar un ser humano a Marte, más allá de las intenciones colonizadoras de Elon Musk con su Starship y estudios dentro de la NASA y CASC (el contratista principal del programa espacial chino). Pero siempre que se habla de vuelos tripulados a Marte surge la discusión entre los partidarios de la energía nuclear y los que consideran que basta con la propulsión química convencional. Sin embargo, la aplicación de la energía nuclear en el espacio viene en dos modalidades: la propulsión nucear térmica o NTP (Nuclear Thermal Propulsion) y la propulsión nuclear eléctrica o NEP (Nuclear Electric Propulsion). ¿Cuál de las dos es mejor? No se trata de una simple cuestión académica, pues recordemos que recientemente la NASA y el Pentágono han apostado por resucitar la tecnología de los motores nucleares térmicos que se perdió tras los proyectos Rover y NERVA gracias al programa DRACO. Al mismo tiempo, la NASA y el Departamento de Energía (DoE) mantienen el programa FSS (Fission Surface Power), antes conocido como Kilopower, para desarrollar un reactor nuclear de fisión para generar electricidad, que podría usarse más adelante en sistemas de propulsión NEP.

Recordemos que la propulsión NTP consiste en emplear un reactor de fisión para calentar un fluido de baja masa molecular —normalmente hidrógeno— que sirve de propelente, mientras que la propulsión NEP incorpora otro reactor, pero para generar electricidad que se usa con el fin de alimentar motores eléctricos (iónicos o de plasma). Ambas técnicas emplean reactores de fisión, pero los utilizados para NTP solo deben funcionar poco tiempo a lo largo de una misión, ya que los motores nucleares térmicos tienen un empuje muy alto, lo que permite reducir las pérdidas gravitatorias. Por contra la propulsión NEP requiere de reactores que funcionen casi constantemente porque la propulsión eléctrica, altamente eficiente, emplea motores con un empuje muy bajo. ¿Qué tipo de propulsión nuclear es mejor? Para salir de dudas vale la pena consultar el informe Mars Transportation Assessment Study publicado pr la NASA en marzo de este año y dedicado justamente a dar respuesta a esta cuestión.

El estudio toma como referencia una misión tripulada a Marte en 2039 usando una misión de ‘tipo oposición’ con una estancia de 30 días en Marte. Estas misiones requieren mayor energía (Delta-V) que las misiones de ‘tipo conjunción’, concebidas para pasar más de un año en el planeta rojo. Sin embargo, todas las propuestas de viajes tripulados proponen una primera misión de tipo oposición para pasar un mes en el planeta rojo con el fin de poner a prueba todos los sistemas de cara a misiones más largas y evitar los efectos negativos de la microgravedad y la radiación en los astronautas. Esto implica que la nave podría sobrevolar Venus según la ventana de lanzamiento para reducir el tiempo de vuelo. El estudio también presupone que se enviarían misiones de carga previamente para colocar en órbita marciana la nave de descenso a la superficie (MDV, Mars Descent Vehicle, que también serviría como hábitat) y la de ascenso (MAV, Mars Ascent Vehicle), además de una nave en la superficie marciana con víveres. El estudio usa como lanzador principal el SLS de la NASA junto a lanzadores comerciales pesados (Starship, Falcon Heavy y New Glenn) y ‘normales’ (Vulcan, Falcon 9, etc.).

Resumiendo, el estudio está de acuerdo en que la propulsión NTP es mejor que la NEP en términos absolutos para este tipo concreto de misión —siempre que se solucionen los problemas técnicos (almacenamiento de hidrógeno líquido durante largas temporadas, erosión del reactor por la interacción con el propelente, etc.)—, PERO, si se combina la NEP con propulsión química —metano y oxígeno líquido—, entonces esta vence a la NTP por un estrecho margen de lanzamientos requeridos y sin los problemas técnicos asociados a la NTP. Además, el estudio concluye que la propulsión NTP es significayivamente más cara. La arquitectura del estudio consiste en una nave tripulada o DST (Deep Space Transport) que incluye el hábitat para la tripulación DSH (Deep Space Habitation) que viajaría entre la Tierra y Marte y se podría reutilizar parcialmente. Lo más destacado es que la nave marciana, una vez ensamblada en órbita baja, se mandaría alrededor de la Luna en una órbita NRHO junto a la estación Gateway, lo que permitiría poner a prueba el comportamiento en el espacio profundo de varios de los sistemas del vehículo. La tripulación estaría formada por cuatro personas, dos de las cuales descenderían a la superficie marciana y dos se quedarían en órbita. Las misiones no tripuladas enviarían previamente una nave de carga a la superficie marciana y las naves de descenso y ascenso desde la superficie DMV y MAV. La tripulación viajaría hasta la nave en una Orión lanzada en un SLS y regresaría desde una órbita terrestre a la Tierra a bordo de otra Orión.

Para la versión NTP, el primer aterrizador de carga despegaría en 20235 usando un SLS, una Starship y cuatro New Glenn/Falcon Heavy. El conjunto se ensamblaría en órbita alta terrestre y partiría a Marte. Los dos aterrizadores para la misión tripulada —el DMV y el MAV— requerirían nada más y nada menos que seis lanzamientos del New Glenn, uno de la Starship, dos del Falcon Heavy y dos del SLS (recordemos además que para cada lanzamiento de la Starship fuera de LEO se necesitan varios lanzamientos del sistema para recarga de propelentes). La nave tripulada se ensamblaría mediante dos SLS, seis New Glenn y un Starship. Primero se ensamblaría en órbita terrestre y luego se enviaría a la órbita lunar NRHO. Por último, la tripulación viajaría en una nave Orión lanzada por un SLS hasta la órbita lunar y pondría rumbo a Marte. Tras un viaje de 297 días, se acoplaría en órbita marciana con uno de los aterrizadores y dos astronautas descenderían a la superficie para pasar allí 39 días. El viaje de regreso duraría 354 días e incluiría un sobrevuelo de Venus. La nave se colocaría en una órbita alta terrestre y se enviaría una nave Orión con un SLS para recoger a la tripulación. El hábitat luego se reciclaría enviándolo de nuevo a la órbita lunar NRHO.

Para la versión NEP+química, el ensamblaje de las naves de carga requeriría 5 SLS, 11 New Glenn/Falcon Heavy y una Starship (los New Glenn o Falcon Heavy se emplearían sobre todo para lanzar los depósitos de xenón para los motores eléctricos). Para la nave tripulada se emplearían 3 SLS, 5 Starship y 4 New Glenn/FH. El resto de la arquitectura sería similar a la versión NTP. Los reactores de fisión empleados en la versión NEP tendrían refrigeración mediante metal líquido y usarían conversión eléctrica de tipo Brayton con dióxido de carbono supercrítico como fluido de trabajo. Su potencia eléctrica sería 1,8 megavatios. Los motores iónicos o de plasma tendrían una potencia de 100 kilovatios. Sin la propulsión química para las maniobras de mayor Delta-V, la potencia del reactor debería ser superior a 5 megavatios.

En total, la variante NTP requeriría un total de 7 SLS, 3 Starship y 18 New Glenn o Flacon Heavy. La variante NEP+química utilizaría 9 SLS, 6 Starship y 15 New Glenn/Falcon Heavy (estos números pueden cambiar sustituyendo lanzadores superpesados por un mayor número de lanzadores comerciales de menos potencia o viceversa). Pero, en cuanto a la nave tripulada propiamente dicha, la versión NTP tendría una masa de 934 toneladas que requerirían 2 SLS, 18 lanzadores comerciales superpesados y 5 de tipo medio. El tiempo de vuelo total sería de 690 días. La versión NEP+química tendría una masa de 678 toneladas y usaría 2 SLS y 5 lanzadores superpesados, con un tiempo de vuelo de 760 días. La variante NTP saldría por unos cuarenta mil millones de dólares, mientras que la NEP costaría cerca de treinta mil millones.

Ahora analicemos estos resultados. Como vemos, ambos tipos de propulsión requieren un ingente número de lanzamientos. Muchos. Y eso a pesar de que también se incluye la Starship, el Santo Grial de la astronáutica. Una demostración de que no existen atajos si queremos enviar una gran cantidad de masa a la superficie marciana. El enfoque de SpaceX es diferente a estas propuestas de la NASA porque se basa  en que la reutilización del sistema abarate los lanzamientos hasta tal punto que se puedan lanzar enormes cantidades de masa útil a Marte a bordo de naves Starship, incluso utilizando principalmente propulsión química convencional.

Estos planes los podemos comparar con los estudios de la corporación CASC china, que también confían en la propulsión NTP (no en vano, los planes chinos se basan en las anteriores propuestas DRA de la NASA). El esquema chino consiste en dos naves: una nave de carga (hábitat y víveres para una estancia de 500 días en Marte) que requiere el lanzamiento de al menos 4 cohetes CZ-9 y una nave tripulada con un hábitat que emplearían 3 CZ-9 como mínimo. Aunque las naves usan propulsión NTP, se ensamblarían en una órbita alta terrestre usando un remolcador orbital con propulsión NEP que llevaría los elementos desde la órbita baja a la órbita de construcción (la razón de que estos planes pongan énfasis en ensamblar las naves en órbita alta es que así se necesita menos energía para abandonar el pozo gravitatorio de la Tierra mediante uno o varios encendidos). Visto lo visto, es difícil que no se emplee algún tipo de propulsión nuclear en la primera misión tripulada a Marte. Otra cuestión distinta es cuándo tendrá lugar.

 Referencias:

• https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/mtas_study_results_final_april_03_2023_v0007_tagged.pdf