La propulsión nuclear térmica es la eterna esperanza de la exploración espacial. Conocida como NTP (Nuclear Thermal Propulsion) por sus siglas en inglés, consiste en usar un reactor nuclear de fisión para calentar un fluido —normalmente hidrógeno— que sale expulsado por una tobera a gran velocidad, generando empuje. La NTP combina alto empuje con elevada eficiencia —un impulso específico (Isp) alto—, dos características que la hacen muy atractiva. No obstante, la versión más segura de la NTP y la preferida por los diseñadores, que usa un reactor más o menos tradicional con el material fisible en barras sólidas, no presenta un Isp muy elevado, aunque sí es más o menos el doble del proporcionado por la propulsión química (de 800 a 900 segundos frente a los aproximadamente 450 segundos de un motor químico de hydrolox).
Por contra, otros sistemas de propulsión, como la eléctrica, tienen eficiencias mucho, pero mucho más altas, pero su empuje es muy pequeño. Por eso la NTP se presenta como una tecnología idónea para grandes naves espaciales, normalmente tripuladas, que viajen a la Luna y Marte, especialmente para su uso en las maniobras de inserción orbital o inyección hacia la Tierra, donde un alto empuje es más recomendable. El problema es que dominar las complejas tecnologías asociadas con la NTP apenas compensan doblar la eficiencia del sistema de propulsión. En cualquier caso, si queremos evaluar la posibilidad de usar NTP, debemos saber si es factible desarrollar un sistema de este tipo con la tecnología actual… y un presupuesto que no sea demasiado elevado.
Estados Unidos y la Unión Soviética son los únicos países que han construido prototipos de motores NTP. EE UU lo hizo dentro de los proyectos Rover y NERVA, mientras que en la URSS la oficina de diseño KB Khimautomatiki (KBKhA) desarrolló el motor nuclear RD-0410. Pero otras potencias espaciales han estudiado la propulsión NTP de forma recurrente, como por ejemplo, la Agencia Espacial Europea. El año pasado la ESA encargó el estudio ALUMNI (preliminAry eLements on nUclear therMal propulsioN for space applIcations) sobre la viabilidad de la propulsión NTP a la Agencia Francesa de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA), ArianeGroup —contratista principal del cohete Ariane 6— y la empresa francesa Framatome Space. Como vemos, se trató de un estudio eminentemente francés, algo lógico teniendo en cuenta el peso de la industria nuclear en este país.
El estudio compara dos diseños de reactores. Por un lado, el arquetípico reactor NERVA, con una potencia de 538 megavatios y capaz de generar 111 kilonewton de empuje con un Isp de 874 segundos. La temperatura de la cámara era de 2630 kelvin y la masa del reactor era de 3,9 toneladas. El otro diseño es el de un reactor de tipo cermet, es decir, un reactor que dispone de una matriz metálica con partículas de combustible cerámico, normalmente óxido de uranio, que tendría un empuje de 66 kilonewton y una potencia de 315 megavatios (como comparación, la matriz del NERVA es de grafito). De solo 2 toneladas de masa, su tamaño debería ser aumentado para poder emplearse en una misión tripulada a Marte hasta alcanzar un empuje de 80 a 95 kilonewton. Los dos diseños fueron comparados teóricamente en una misión a Marte con una Delta-V de 12 km/s en la que se podían desechar uno de dos tanques de propelentes (en principio, hidrógeno). La nave marciana usaría un conjunto de cuatro motores NTP y el lanzador encargado de colocar los elementos del sistema de propulsión en órbita sería el Ariane 62. ¿El resultado? Pues el estudio fue incapaz de priorizar un diseño frente al otro.
El estudio también comparó propulsión química y NTP y llegó a la conclusión de que para su uso en la Luna, tanto a la superficie como a una órbita elíptica NRHO, no existía una ventaja clara de la propulsión nuclear. ¿Cómo es esto posible? Pues porque la mayor masa asociada a un motor NTP (blindaje antirradiación y sistemas de seguridad) anula la ventaja en Isp. Sin embargo, para una misión tripulada a Marte el uso de NTP se tradujo en algunos casos en una reducción de la masa de la nave a la mitad. Como decíamos, el hidrógeno es el propelente elegido por defecto para motores NTP —al ser la molécula más ligera, su velocidad de salida del motor es la más alta para una temperatura dada, maximizando el empuje—, pero el estudio evaluó otras sustancias como el amoniaco. Su uso es menos eficiente, pero puede compensar al tener una densidad mayor —y, por tanto, se requieren tanques mucho más pequeños— y por no necesitar temperaturas tan bajas para permanecer en estado líquido.
El siguiente paso es dejar atrás los estudios teóricos y pasar a la fase de pruebas en laboratorio, algo poco probable teniendo en cuenta el presupuesto de la ESA. Por otro lado, la NTP ha recibido un golpe fatal recientemente con la cancelación del proyecto DRACO entre la NASA y la agencia militar DARPA para desarrollar un motor térmico nuclear. Sin DRACO, es difícil que la ESA se embarque en un proyecto de este tipo por su cuenta. Queda China, que ha expresado su deseo de desarrollar sistemas NTP para una misión tripulada a Marte alrededor de 2040.
Otra posibilidad es usar un reactor de fisión no para calentar un propelente, sino con el fin de generar electricidad que alimente motores iónicos o de plasma. Es la propulsión NEP (Nuclear Electric Propulsion), que genera bastante menos empuje que la NTP es muchísimo más eficiente. En 2022 la ESA inició el estudio RocketRoll (pReliminary eurOpean reCKon on nuclEar elecTric pROpuLsion for space appLications) para estudiar cómo de viable es esta tecnología. El estudio estuvo liderado por la empresa blega Tractebel, con contribuciones de OHB Czechspace, Airbus, la Universidad de Parga o ArianeGroup, entre otros actores. La ventaja de la propulsión NEP es que el mismo reactor elegido se puede usar también solo para generar electricidad en una base lunar o marciana, por ejemplo.
RocketRoll concluyó que el mejor reactor para NEP sería uno que usase HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), un tipo de combustible nuclear con un enriquecimiento de uranio-235 entre el 5% y el 20%. La potencia del reactor sería de 10 megavatios térmicos. El estudio RocketRoll tenía como meta desarrollar un prototipo de vuelo en el periodo 2035-2040, pero actualmente el apoyo a este tipo de propulsión en Europa es muy escaso y probablemente seguirá así en los próximos años.
Referencias:
- Nuclear rocket engine for Moon and Mars
- https://esamultimedia.esa.int/docs/STS/Executive_Summary/ALUMNI_Executive_summary_v05_pub.pdf
- https://www.ohb-czech.cz/our-projects/nep-rocketroll
- Space transportation and Nuclear Propulsion
La propulsión eléctrica nuclear también se puede utilizar con otros combustibles más compactos que el hidrógeno.
Con el litio de moda?
Con la NASA rota, Jared fuera de juego esto está más lejos que la fusión nuclear.
https://youtu.be/YRom6y1E8p8?si=MkpEhYEzYiTBHxc1
Si Francia se pusiera en serio quizás, pero no tenemos ni una cápsula básica para subir a órbita y dejamos morir el ATV, por ahora veo poca actitud y sobretodo poca ventaja respecto a lo químico para hacer un all in. Con lo que te cuesta poner en marcha un sistema (hacerlo operacional), puedes montar un puñado de misiones interesantes en espacio profundo o poner muchas baterías y paneles solares en superficie.
Si tuviera que desarrollar una cosa nuclear empezaría por un reactor con un tamaño moderado de unas 6-10t que al fin al cabo es lo más versátil.
Mariconadas, Jimmy… Todo lo que esté por debajo de la propulsión Orión es ir a pedales, jajajaja.
Ahora en serio:
Tienes razón, primero empezar por aprender a desarrollar un reactor potente, compacto y con sistemas asociados eficientes y de masa contenida… y luego ya se verá.
Yo creo que siempre va a ser un mix de química y otros tipos. La química es pesada, ineficiente y tal, pero es eficaz, «simple» y de uso inmediato para impulsos cortos y potentes, como cambios de órbita, evasión en riesgo de impacto y aceleraciones/frenados por muchas causas.
Estoy de acuerdo Jimmy.
Añadiría que a la ESA le conviene más ponerse en serio con el tema de RTGs y RHUs (hola, Exomars) y luego, si acaso, pequeños reactores para alimentar sondas (electricidad y propulsión iónica).
Grandes reactores para propulsión térmica tienen sentido para naves tripuladas interplanetarias, algo de lo que de momento carecemos.
Saludos
Un gran artículo con clara visión anticipadora.
Algunas de estas propuestas que parecen de ciencia ficción acabarán generando estudios y desarrollos tecnológicos posteriores. Y en el fondo, es muy probable que esta misma dinámica también pueda aplicarse a otros tipos de ideas teóricas relacionadas con el tema de la propulsión espacial.
Esta es la pieza clave que definirá la capacidad de presencia humana en el nuevo marco de actuación que tanto nos apasiona. Por eso mismo muchos paises le han estado prestando atención durante décadas y nadie quiere renunciar a ella.
El gran cambio disruptivo en la exploración del espacio pasará por aquí, no lo duden.
Mentes creativas, comiencen a imaginar toda clase de nuevas posibilidades.
Lo que está en juego es, simplemente, el futuro.
A esto de la propulsión nuclear de fisión le veo, al menos, dos grandes problemas:
– Se basa en la producción de material fisionable, que contamina con residuos radiactivos el único entorno habitable que tenemos.
– Los reactores nucleares y sus sistemas de refrigeración en el espacio tienen una masa enorme, que le resta casi toda la eficiencia propulsora.
Para el interior del sistema solar, que es lo que más nos interesa explorar por muchos motivos, como la defensa planetaria y por ser accesible en poco tiempo, la propulsión solar eléctrica me parece suficiente. Aunque de momento su eficiencia energética es pequeña, progresa contínuamente con nuevas ideas.
Haciendo ciencia ficción:
Los paneles solares ultraligeros alimentan un horno de microondas que genera plasma de agua y extrae de él iones y electrones por separado.
– Los electrones e iones son impulsados por un acelerador lineal de partículas basado en imanes superconductores, mantenidos fríos por estar a la sombra en el espacio.
– La nave acelera, impulsada en reacción a la pequeñísima masa del chorro relativista de iones y electrones que expulsa por la popa.
– Explora el cinturón de asteroides y allí repone sus depósitos de agua para continuar por tiempo indefinido su viaje de exploración entre Júpiter y Venus.
Me da que los imanes superconductores solo se mantendrían fríos con el sistema DETENIDO. A la que empiece a funcionar, se calentarán.
Así pues, necesitas sí o sí un sistema ACTIVO de refrigeración y sus correspondientes y enormes radiadores, depósitos, bombas, canalizaciones…
No te digo que no necesitara refrigeración pero, sin saber calcularlo, sospecho que el calor generado en relación al empuje obtenido sería muchísimo menor que en el caso de usar un reactor de fisión, donde la energía que recibiría el propelente sería una minúscula parte de la que genera la reacción.
Pero vamos, que es solo ciencia ficción, por dar ideas con las que jugar.
Cierto.
La ficción bien argumentada suele incorporar elementos de carácter prospectivo.
En el fondo es un ejercicio de creatividad que invita a reflexionar sobre determinadas ideas y posibilidades tecnológicas.
Y eso, en términos de innovación, ya es un buen principio a considerar.
No sé yo, ¿eh, Fisivi?
Que las intensísimas corrientes que usan los imanes superconductores calientan de lo lindo. Mira los del LHC, refrigerados con helio a alta presión de forma activa.
Cierto que apenas ofrecen resistencia al paso de la corriente (de ahí lo de superconductores), pero la propia corriente en sí está en movimiento y eso SIEMPRE significa calor… y ese calor seguro, segurísimo que no se puede eliminar pasivamente sin comprometer la superconductividad…
Los superconductores no se calientan por la resistencia eléctrica por mucha corriente que transporten. Las fuentes de calor son otras, perdidas del haz acelerado, radiación térmica del entorno, corrientes inducidas en las estructuras de soporte de los imanes o cosas así.
Bueno, es que en mi comentario no he dicho que se calienten por la resistencia, sino que la corriente en sí (y todo lo que circula impulsado por ellos) es la fuente de calor.
Pero no me expliqué bien, con toda seguridad.
No es tanta ciencia ficción como piensas en realidad. Básicamente estás describiendo un motor de tipo ECR (electron-cyclotron resonance thruster) que se están estudiando bastante últimamente porque al carecer de electrodos tienen ventajas respecto al uso de propelentes alternativos (aire, agua, yodo, etc..). Conozco alguna gente que trabaja en ello actualmente.
Lo único que difiere un poco de la realidad es:
– el chorro no es relativista. Trabajamos con velocidades de escape de un par de decenas de km/s.
– No se usan imanes superconductores (hay alguna gente estudiándolo para motores de tipo Magneto-plasma-dynamic pero esos juegan en otra liga. Para este caso no es necesario). Para los motores que propones no se podrían utilizar porque necesitas un valor de campo magnético específico para que el giro de los electrones alrededor de las líneas magnéticas entre en resonancia con la onda de microondas (2’45 GHz normalmente) y eso se consigue a un par de cientos de Gauss. Usar imanes superconductores arruinaría el invento.
– no se usan aceleradores lineales como tal. Usmaos toberas magnéticas, que son básicamente imanes permanentes que crean un campo convergente-divergente y los iones se aceleran a partir de la «garganta» de la tobera y crean la fuerza magnética al liberarse de la atracción magnéica y escapar.
Y bueno, estos motores tienen bajo empuje así que serían más bien para maniobras en LEO y cosas así. Los de los viajes interplanetarios son los MPD
Ostras, muy interesante.
Podrías pasar algún enlace para profundizar un poco más?
Gracias!
Un vídeo de youtube explicandolo de forma básica:
https://youtu.be/HExI_XpL6Mo?si=0JwvLTsqA42fxzJf
Y si tienes una cierta base de física/ingeniería este artículo está bien para ver un poco más en profundidad el concepto y su estado del arte:
https://link.springer.com/article/10.1007/s44205-022-00034-7
Este vídeo resume un poco el concepto:
https://youtu.be/HExI_XpL6Mo?si=Oz919DxQxpm6SbZ9
Muchas gracias chico_pajaro por tu comentario tan instructivo y detallado.
No conocía esos motores de plasma. Se ve que la propulsión eléctrica avanza mucho y por muchos caminos. Dan ganas de saber más. De momento los he buscado con Google.
Hola fisivi, te recomiendo te pases por Sondas, tenemos muy buena info de los motores SEP de plasma e iónicos…
s2
Radiofobia ficción.
«al ser la molécula más ligera, su velocidad de salida del motor es la más alta para una temperatura dada, maximizando el empuje»
¿El empuje o el impulso específico?
(pregunto, que no lo sé)
Yo diría que el impulso específico. El empuje es que va a depender del flujo de masa. Cuanto más ligeros son los átomos más velocidad a una determinada temperatura.
«La ventaja de la propulsión NEP es que el mismo reactor elegido se puede usar también solo para generar electricidad.»
Esto me parece una ventaja muy determinante.
Para una sonda, que puede pasarse meses acelerando/frenando, sí. Pero para una nave tripulada es preferible que las fases de aceleración y frenado sean breves. Saludos
…O no, depende: imagínate una nave tripulada que se pase medio viaje acelerando a 1g y luego de media vuelta y se pase el otro medio viaje decelerando a 1g, para los tripulantes seria de lo más cómodo.
Es interesante el modelo de propulsión eléctrica: VASIMR, propuesto por el astronauta Chang Diaz que constituyo la empresa: https://www.adastrarocket.com/
Las expectativas que sembró hace unos años no veo que acaben de concretarse.
VASMIR, Bigelow, Skylon, SpaceShip 2, Armadillo… proyectos prometedores que no han resultado, los de minería de asteroides nosequespike…
SpaceX, Dream Chaser, Astrolab dan más de si.
Historia: Tests Nerva 1959
https://youtu.be/vs3zNwXhzSA?si=gdOi9W63XKWqNbgG
Y acá va otro:
https://www.youtube.com/watch?v=eDNX65d-FBY
No, en realidad este segundo video es el mismo que el primero.
Otro video hustorico, proyecto Rober.
https://youtu.be/yahvK9HX5u4?si=2-FVFNrd2LMXOqRa
Y otro más,
https://youtu.be/LjU9kP_zd70?si=CxG7rBOhRMrgvce-
Daniel, gracias por el post, es muy didáctico
La propuesta de Fisivi me recuerda un libro de ciencia ficción que leí hace muchos años. Se trata de un barco de tamaño pequeño con un hueco en la parte inferior del casco que permite el paso de agua de proa a popa. No recuerdo si la hélice que propulsaba el barquito estaba en la proa o en la mitad del hueco por donde discurría el agua.
Cierto, en el medio interplanetario no hay agua pero sí hay hidrógeno atómico y molecular, plasma de protones y electrones (hidrógeno ionizado) y el viento solar que transfiere protones al medio (núcleos de hidrógeno). La dificultad está en que la densidad del hidrógeno en el medio interplanetario es baja, menos de una partícula por centímetro cúbico.
Robert Bussard diseñó en 1960 un motor que usaría un campo magnético enorme para recolectar el hidrógeno ionizado. Los protones se canalizan a una cámara de fusión donde se libera la energía que impulsa la nave. Tiene por desventaja que requiere una velocidad inicial altísima para recolectar suficiente hidrógeno y que la tecnología de fusión no está disponible.
Ni la tecnología para un campo magnético rotatorio en forma de vórtice de cientos de miles de kilómetros de diámetro…
… campo que generaría su propio «drag» contra el medio interestelar, anulando de facto la propulsión obtenida del «combustible» recolectado. Algo leí en su día al respecto: que sobre el papel, la idea mola… pero en la práctica, la masa de la nave y sus dimensiones (tanto del colector final como del campo magnético gigantesco inducido por él) anulaban por completo las ventajas de no llevar el combustible a bordo.
Ciertamente, no tener que llevar combustible a bordo representaría un avance formidable.
Es un concepto especulativo a desarrollar. Veremos…
Se está trabajando bastante en ello para órbitas terrestres muy bajas (100-400 km). Ya hay misiones previstas aunque a la tecnología aún le queda para estar madura
More info on NTP and NEP here if anyone is interested:
https://www.linkedin.com/pulse/advanced-propulsion-literature-paul-titze-9a57c/
Cheers, Paul.
OFFTOPIC: El proyecto de propulsión nuclear estadounidense, DRACO, ha sido cancelado
https://www.neimagazine.com/news/draco-project-cancelled/?cf-view
Europa debería hacer las paces con la energía nuclear en ámbitos de ciencia. Necesitamos la energía nuclear. Y comprarsela a nuestros enemigos no debería ser una opción.