Nuevo diseño de cohete nuclear para enviar misiones a Marte en sólo 45 días

Vivimos en una era de exploración espacial renovada, donde múltiples agencias planean enviar astronautas a la Luna en los próximos años. A esto le seguirán en la próxima década misiones tripuladas a Marte por parte de la NASA y China, a las que es posible que se unan otras naciones en poco tiempo. Estas y otras misiones que llevarán a los astronautas más allá de la órbita terrestre baja (LEO) y del sistema Tierra-Luna requieren nuevas tecnologías, que van desde soporte vital y protección contra la radiación hasta energía y propulsión. Y cuando se trata de esto último, ¡la propulsión nuclear térmica y nuclear eléctrica (NTP/NEP) es uno de los principales contendientes!

La NASA y el programa espacial soviético pasaron décadas investigando la propulsión nuclear durante la carrera espacial. Hace unos años, la NASA reactivó su programa nuclear con el fin de desarrollar una propulsión nuclear bimodal (un sistema de dos partes compuesto por un elemento NTP y NEP) que podría permitir tránsitos a Marte en 100 días. Como parte del programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA para 2023, la NASA seleccionó un concepto nuclear para el desarrollo de la Fase I. Esta nueva clase de sistema de propulsión nuclear bimodal utiliza un “ciclo de superación del rotor de ondas” y podría reducir los tiempos de tránsito a Marte a sólo 45 días.

La propuesta, titulada “NTP/NEP bimodal con ciclo de tope de rotor de ondas”, fue presentada por el profesor Ryan Gosse, líder del área del programa hipersónico de la Universidad de Florida y miembro del equipo de Investigación Aplicada en Ingeniería de Florida (FLARE). . La propuesta de Gosse es una de las 14 seleccionadas por el NIAC este año para el desarrollo de la Fase I, que incluye una subvención de 12.500 dólares para ayudar a madurar la tecnología y los métodos involucrados. Otras propuestas incluyeron sensores, instrumentos, técnicas de fabricación, sistemas de energía innovadores y más.

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La propulsión nuclear se reduce esencialmente a dos conceptos, los cuales se basan en tecnologías que han sido probadas y validadas exhaustivamente. Para la propulsión térmica nuclear (NTP), el ciclo consiste en un reactor nuclear que calienta el propulsor de hidrógeno líquido (LH2), convirtiéndolo en gas hidrógeno ionizado (plasma) que luego se canaliza a través de boquillas para generar empuje. Se han realizado varios intentos para probar este sistema de propulsión, incluido el Proyecto Rover, un esfuerzo de colaboración entre la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Comisión de Energía Atómica (AEC) que se lanzó en 1955.

En 1959, la NASA reemplazó a la USAF y el programa entró en una nueva fase dedicada a las aplicaciones de vuelos espaciales. Esto finalmente condujo al desarrollo del Motor Nuclear para Aplicaciones en Vehículos Cohetes (NERVA), un reactor nuclear de núcleo sólido que fue probado con éxito. Con el cierre de la Era Apolo en 1973, la financiación del programa se redujo drásticamente, lo que llevó a su cancelación antes de que se pudieran realizar pruebas de vuelo. Mientras tanto, los soviéticos desarrollaron su propio concepto NTP (RD-0410) entre 1965 y 1980 y realizaron una única prueba en tierra antes de la cancelación del programa.

La propulsión eléctrica nuclear (NEP), por otro lado, se basa en un reactor nuclear para proporcionar electricidad a un propulsor de efecto Hall (motor de iones), que genera un campo electromagnético que ioniza y acelera un gas inerte (como el xenón) para crear empuje. Los intentos de desarrollar esta tecnología incluyen la Iniciativa de Sistemas Nucleares (NSI) de la NASA. Proyecto Prometeo (2003 a 2005). Ambos sistemas tienen ventajas considerables sobre la propulsión química convencional, incluida una clasificación de impulso específico (Isp) más alta, eficiencia de combustible y una densidad de energía prácticamente ilimitada.

Si bien los conceptos NEP se distinguen por proporcionar un impulso específico de alta velocidad durante semanas o meses seguidos, el nivel de empuje es bastante bajo en comparación con los cohetes convencionales y NTP. La necesidad de una fuente de energía eléctrica, dice Gosse, también plantea la cuestión del rechazo del calor en el espacio, donde la conversión de energía térmica es del 30-40% en circunstancias ideales. Y si bien los diseños NTP NERVA son el método preferido para misiones tripuladas a Marte y más allá, este método también tiene problemas para proporcionar fracciones de masa iniciales y finales adecuadas para misiones con alto delta-v.

Es por ello que se favorecen propuestas que incluyan ambos métodos de propulsión (bimodal), ya que combinarían las ventajas de ambos. La propuesta de Gosse exige un diseño bimodal basado en un reactor NERVA de núcleo sólido que proporcionaría un impulso específico (Isp) de 900 segundos, el doble del rendimiento actual de los cohetes químicos. El ciclo propuesto por Gosse también incluye un sobrealimentador de ondas de presión, o Wave Rotor (WR), una tecnología utilizada en motores de combustión interna que aprovecha las ondas de presión producidas por reacciones para comprimir el aire de admisión.

Cuando se combina con un motor NTP, el WR utilizaría la presión creada por el calentamiento del combustible LH2 por parte del reactor para comprimir aún más la masa de reacción. Como promete Gosse, esto ofrecerá niveles de empuje comparables a los de un concepto NTP de clase NERVA pero con un Isp de 1400-2000 segundos. Cuando se combina con un ciclo de NEP, dijo Gosse, los niveles de empuje mejoran aún más:

“Junto con un ciclo NEP, el ciclo de trabajo Isp se puede aumentar aún más (1800-4000 segundos) con una mínima adición de masa seca. Este diseño bimodal permite el tránsito rápido de misiones tripuladas (45 días a Marte) y revoluciona la exploración del espacio profundo de nuestro sistema solar”.

Basada en tecnología de propulsión convencional, una misión tripulada a Marte podría durar hasta tres años. Estas misiones se lanzarían cada 26 meses cuando la Tierra y Marte estén en su punto más cercano (también conocido como Oposición de Marte) y pasarían un mínimo de seis a nueve meses en tránsito. Un tránsito de 45 días (seis semanas y media) reduciría el tiempo total de la misión a meses en lugar de años. Esto reduciría significativamente los principales riesgos asociados con las misiones a Marte, incluida la exposición a la radiación, el tiempo pasado en microgravedad y los problemas de salud relacionados.

Además de la propulsión, hay propuestas para nuevos diseños de reactores que proporcionarían un suministro de energía constante para misiones de superficie de larga duración donde la energía solar y eólica no siempre están disponibles. Los ejemplos incluyen el reactor Kilopower de la NASA que utiliza tecnología Sterling (KRUSTY) y el reactor híbrido de fisión/fusión seleccionado para el desarrollo de la Fase I por la selección NIAC 2023 de la NASA. Estas y otras aplicaciones nucleares algún día podrían permitir misiones tripuladas a Marte y otros lugares del espacio profundo, ¡tal vez antes de lo que pensamos!

Lectura adicional: NASA