Vivimos en una era de exploración espacial renovada, donde múltiples agencias planean enviar astronautas a la Luna en los próximos años. Esto será seguido en la próxima década con misiones tripuladas a Marte por parte de la NASA y China, a las que pueden unirse otras naciones en poco tiempo.

Estas y otras misiones que llevarán a los astronautas más allá de la órbita terrestre baja (LEO) y el 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 lo último, ¡ la propulsión eléctrica nuclear y térmica nuclear (NTP/NEP) es un competidor principal!

La NASA y el programa espacial soviético pasaron décadas investigando la propulsión nuclear durante la carrera espacial.

Hace unos años, la NASA reinició su programa nuclear con el fin de desarrollar la propulsión nuclear bimodal, un sistema de dos partes que consta de un elemento NTP y NEP, que podría permitir tránsitos a Marte en 100 días .

Diagrama que muestra las partes del nuevo cohete.
Nueva clase de NTP/NEP bimodal con un ciclo topping de rotor de onda que permite un tránsito rápido a Marte. (Ryan Gosse)

Como parte del programa de 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 topping de rotor de olas » y podría reducir los tiempos de tránsito a Marte a solo 45 días.

La propuesta, titulada » Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle «, fue presentada por el profesor Ryan Gosse, líder del área del programa de hipersónicos 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 la NAIC este año para el desarrollo de la Fase I, que incluye una subvención de US$12.500 para ayudar a madurar la tecnología y los métodos involucrados. Otras propuestas incluyeron sensores innovadores, instrumentos, técnicas de fabricación, sistemas de energía y más.

La propulsión nuclear se reduce esencialmente a dos conceptos, los cuales se basan en tecnologías que se han probado y validado exhaustivamente.

Para la propulsión nuclear-térmica (NTP), el ciclo consiste en un propulsor de hidrógeno líquido (LH2) de calentamiento del reactor nuclear, convirtiéndolo en gas de hidrógeno ionizado (plasma) que luego se canaliza a través de boquillas para generar empuje.

Se han realizado varios intentos para construir una prueba de 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 a la aplicación del motor nuclear para vehículos cohete (NERVA), un reactor nuclear de núcleo sólido que se probó con éxito.

Con el cierre de la Era Apolo en 1973, la financiación del programa se redujo drásticamente, lo que provocó su cancelación antes de que se pudieran realizar las 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 nuclear-eléctrica (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 el Proyecto Prometeo de la Iniciativa de Sistemas Nucleares (NSI) de la NASA (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 densidad de energía prácticamente ilimitada.

Si bien los conceptos NEP se distinguen por proporcionar más de 10 000 segundos de Isp, lo que significa que pueden mantener el empuje durante cerca de tres horas, 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 el problema del rechazo de calor en el espacio, donde la conversión de energía térmica es del 30 al 40 por ciento en circunstancias ideales.

Y aunque los diseños de NTP NERVA son el método preferido para las misiones tripuladas a Marte y más allá, este método también tiene problemas para proporcionar fracciones de masa inicial y final adecuadas para misiones de 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 los motores de combustión interna que aprovecha las ondas de presión producidas por las reacciones para comprimir el aire de admisión.

Cuando se combina con un motor NTP, el WR usaría la presión creada por el calentamiento del reactor del combustible LH2 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 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 adición mínima de masa seca. Este diseño bimodal permite el tránsito rápido para misiones tripuladas (45 días a Marte) y revoluciona la exploración del espacio profundo. de nuestro Sistema Solar».

Basada en la 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 más cerca (también conocido como una 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 que se pasa 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 con tecnología Sterling (KRUSTY) de la NASA y el reactor híbrido de fisión/fusión seleccionado para el desarrollo de la Fase I por la selección NAIC 2023 de la NASA.

Estas y otras aplicaciones nucleares algún día podrían permitir misiones tripuladas a Marte y otros lugares en el espacio profundo, ¡quizás antes de lo que pensamos!