El Sistema Solar es un lugar realmente grande, y lleva una eternidad viajar de un mundo a otro con cohetes químicos tradicionales. Pero una técnica, desarrollada en la década de 1960, podría proporcionar una forma de acortar drásticamente nuestros tiempos de viaje: los cohetes nucleares.
Por supuesto, lanzar un cohete propulsado por material radiactivo también tiene sus propios riesgos. ¿Deberíamos intentarlo?
Digamos que querías visitar Marte usando un cohete químico. Despegarías de la Tierra y entrarías en la órbita baja de la Tierra. Luego, en el momento correcto, dispararías tu cohete, elevando tu órbita desde el Sol. La nueva trayectoria elíptica que estás siguiendo se cruza con Marte después de ocho meses de vuelo.
Esto se conoce como transferencia de Hohmann, y es la forma más eficiente de saber cómo viajar en el espacio, utilizando la menor cantidad de propulsor y la mayor cantidad de carga útil. El problema, por supuesto, es el tiempo que lleva. A lo largo del viaje, los astronautas consumirán alimentos, agua, aire y estarán expuestos a la radiación a largo plazo del espacio profundo. Luego, una misión de retorno duplica la necesidad de recursos y duplica la carga de radiación.
Necesitamos ir más rápido.
Resulta que la NASA ha estado pensando en lo que viene después de los cohetes químicos durante casi 50 años.
Cohetes térmicos nucleares. Definitivamente aceleran el viaje, pero no están exentos de sus propios riesgos, por lo que no los ha visto. Pero tal vez su tiempo está aquí.
En 1961, la NASA y la Comisión de Energía Atómica trabajaron juntas en la idea de la propulsión térmica nuclear, o NTP. Fue pionero de Werner von Braun, quien esperaba que las misiones humanas volaran a Marte en la década de 1980, en las alas de los cohetes nucleares.
Bueno, eso no sucedió. Pero sí realizaron algunas pruebas exitosas de propulsión térmica nuclear y demostraron que funciona.
Mientras que un cohete químico funciona al encender algún tipo de químico inflamable y luego forzar a los gases de escape a salir por una boquilla. Gracias a la tercera ley de Newton, ya sabes, por cada acción hay una reacción igual y opuesta, el cohete recibe un impulso en la dirección opuesta de los gases expulsados.
Un cohete nuclear funciona de manera similar. Una bola del tamaño de una canica de combustible de uranio se somete al proceso de fisión, liberando una tremenda cantidad de calor. Esto calienta un hidrógeno a casi 2.500 C que luego se expulsa por la parte posterior del cohete a alta velocidad. Velocidad muy muy alta, que le da al cohete dos o tres veces la eficiencia de propulsión de un cohete químico.
¿Recuerdas los 8 meses que mencioné para un cohete químico? Un cohete térmico nuclear podría reducir el tiempo de tránsito a la mitad, tal vez incluso viajes de 100 días a Marte. Lo que significa menos recursos consumidos por los astronautas y una menor carga de radiación.
Y hay otro gran beneficio. El empuje de un cohete nuclear podría permitir que las misiones se lleven a cabo cuando la Tierra y Marte no estén perfectamente alineados. En este momento, si pierde su ventana, tiene que esperar otros 2 años, pero un cohete nuclear podría darle el impulso para lidiar con los retrasos en los vuelos.
Las primeras pruebas de cohetes nucleares comenzaron en 1955 con el Proyecto Rover en el Laboratorio Científico de Los Alamos. El desarrollo clave fue miniaturizar los reactores lo suficiente como para poder ponerlos en un cohete. En los próximos años, los ingenieros construyeron y probaron más de una docena de reactores de diferentes tamaños y potencias.
Con el éxito del Proyecto Rover, la NASA apuntó a las misiones humanas a Marte que seguirían a los aterrizadores del Apolo en la Luna. Debido a la distancia y el tiempo de vuelo, decidieron que los cohetes nucleares serían la clave para hacer que las misiones sean más capaces.
Los cohetes nucleares no están exentos de riesgos, por supuesto. Un reactor a bordo sería una pequeña fuente de radiación para la tripulación de astronautas a bordo, esto sería compensado por la disminución del tiempo de vuelo. El espacio profundo en sí mismo es un enorme peligro de radiación, ya que la radiación cósmica galáctica constante daña el ADN de los astronautas.
A fines de la década de 1960, la NASA instaló el motor nuclear para el programa de aplicación de vehículos cohetes, o NERVA, desarrollando las tecnologías que se convertirían en los cohetes nucleares que llevarían a los humanos a Marte.
Probaron cohetes nucleares más grandes y potentes en el desierto de Nevada, descargando el gas de hidrógeno de alta velocidad directamente en la atmósfera. Las leyes ambientales eran mucho menos estrictas en aquel entonces.
El primer NERVA NRX finalmente se probó durante casi dos horas, con 28 minutos a plena potencia. Y un segundo motor se puso en marcha 28 veces y funcionó durante 115 minutos.
Al final, probaron el reactor nuclear más potente jamás construido, el reactor Phoebus-2A, capaz de generar 4.000 megavatios de potencia. Empujando por 12 minutos.
Aunque los diversos componentes nunca se ensamblaron en un cohete listo para el vuelo, los ingenieros estaban convencidos de que un cohete nuclear satisfaría las necesidades de un vuelo a Marte.
Pero luego, Estados Unidos decidió que ya no quería ir a Marte. Querían el transbordador espacial en su lugar.
El programa se cerró en 1973, y nadie probó cohetes nucleares desde entonces.
Pero los recientes avances en tecnología han hecho que la propulsión térmica nuclear sea más atractiva. En la década de 1960, la única fuente de combustible que podían usar era el uranio altamente enriquecido. Pero ahora los ingenieros piensan que pueden sobrevivir con uranio poco enriquecido.
Sería más seguro trabajar con él y permitiría que más instalaciones de cohetes ejecutaran pruebas. También sería más fácil capturar las partículas radiactivas en el escape y eliminarlas adecuadamente. Eso reduciría los costos generales de trabajar con la tecnología.
El 22 de mayo de 2019, el Congreso de los Estados Unidos aprobó $ 125 millones de dólares en fondos para el desarrollo de cohetes de propulsión nuclear térmica. Aunque este programa no tiene ningún papel que desempeñar en el regreso de Artemis 2024 a la Luna de la NASA, cita - cita a la NASA a desarrollar un plan de varios años que permita una demostración de propulsión nuclear térmica que incluya la línea de tiempo asociada con la demostración espacial y una descripción de futuras misiones y sistemas de propulsión y potencia habilitados por esta capacidad ".
La fisión nuclear es una forma de aprovechar el poder del átomo. Por supuesto, requiere uranio enriquecido y genera residuos radiactivos tóxicos. ¿Qué hay de la fusión? ¿Dónde los átomos de hidrógeno se exprimen en helio, liberando energía?
El Sol ha funcionado con la fusión, gracias a su enorme masa y temperatura central, pero la fusión sostenible con energía positiva ha sido esquiva por parte de los humanos débiles.
Enormes experimentos como ITER en Europa esperan mantener la energía de fusión en la próxima década más o menos. Después de eso, puede imaginarse que los reactores de fusión se miniaturizan hasta el punto de que pueden cumplir el mismo papel que un reactor de fisión en un cohete nuclear. Pero incluso si no puede obtener reactores de fusión hasta el punto de que tengan energía neta positiva, aún pueden proporcionar una aceleración tremenda para la cantidad de masa.
Y tal vez no necesitemos esperar décadas. Un grupo de investigación en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton está trabajando en un concepto llamado Direct Fusion Drive, que creen que podría estar listo mucho antes.
Se basa en el reactor de fusión de configuración invertida de campo de Princeton desarrollado en 2002 por Samuel Cohen. El plasma caliente de helio-3 y deuterio está contenido en un recipiente magnético. El helio-3 es raro en la Tierra y valioso porque las reacciones de fusión con él no generarán la misma cantidad de radiación peligrosa o desechos nucleares que otros reactores de fusión o fisión.
Al igual que con el cohete de fisión, un cohete de fusión calienta un propulsor a altas temperaturas y luego lo dispara por la parte posterior, produciendo empuje.
Funciona alineando un grupo de imanes lineales que contienen y hacen girar plasma muy caliente. Las antenas alrededor del plasma se sintonizan a la frecuencia específica de los iones y crean una corriente en el plasma. Su energía se bombea hasta el punto en que los átomos se fusionan, liberando nuevas partículas. Estas partículas deambulan por el campo de contención hasta que son capturadas por las líneas del campo magnético y se aceleran por la parte posterior del cohete.
En teoría, un cohete de fusión sería capaz de proporcionar 2.5 a 5 Newtons de empuje por megavatio, con un impulso específico de 10,000 segundos: recuerde 850 de cohetes de fisión y 450 de cohetes químicos. También generaría la electricidad que necesita la nave espacial lejos del Sol, donde los paneles solares no son muy eficientes.
Un Direct Fusion Drive sería capaz de llevar una misión de 10 toneladas a Saturno en solo 2 años, o una nave espacial de 1 tonelada desde la Tierra a Plutón en aproximadamente 4 años. New Horizons necesitaba casi 10.
Dado que también es un reactor de fusión de 1 megavatio, también proporcionaría energía para todos los instrumentos de la nave espacial cuando llegue. Mucho más que las baterías nucleares que llevan actualmente las misiones del espacio profundo como Voyager y New Horizons.
Imagine qué tipo de misiones interestelares podrían estar sobre la mesa con esta tecnología también.
Y Princeton Satellite Systems no es el único grupo que trabaja en sistemas como este. Applied Fusion Systems ha solicitado una patente para un motor de fusión nuclear que podría proporcionar empuje a las naves espaciales.
Sé que han pasado décadas desde que la NASA probó seriamente los cohetes nucleares como una forma de acortar los tiempos de vuelo, pero parece que la tecnología ha vuelto. En los próximos años espero ver nuevo hardware y nuevas pruebas de sistemas de propulsión térmica nuclear. Y estoy increíblemente emocionado ante la posibilidad de que las unidades de fusión reales nos lleven a otros mundos. Como siempre, estad atentos, te avisaré cuando uno realmente vuela.
