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Articulo de referencia

Energía nuclear en el espacio

Prueba del motor cohete termonuclear Kiwi-A Prime en Jackass Flats , Nevada, en 1960. El rover Curiosity de Marte , propulsado por un generador termoeléctrico de radioisótopos (...

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Prueba del motor cohete termonuclear Kiwi-A Prime en Jackass Flats , Nevada, en 1960.
El rover Curiosity de Marte , propulsado por un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), se encuentra en la superficie marciana. En el extremo opuesto del rover se puede apreciar el RTG blanco con aletas.

La energía nuclear en el espacio es el uso de energía nuclear a bordo de naves espaciales para generar electricidad, calor o propulsión . El tipo más común es el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG), que se ha utilizado en satélites , sondas espaciales y en las misiones tripuladas Apolo a la Luna . También se han utilizado pequeños reactores de fisión nuclear para satélites terrestres, como los del programa soviético US-A y el estadounidense SNAP-10A . [ 1 ] Las unidades de calentamiento de radioisótopos (RHU) también se utilizan para evitar que los componentes se enfríen demasiado y dejen de funcionar. [ 2 ]

Entre los sistemas de energía nuclear lanzados al espacio , el plutonio-238 es el combustible radioisotópico más común . Su vida media de 87,7 años permite que los RTG alimenten naves espaciales de manera constante durante décadas con salidas eléctricas de cientos de vatios . Los sistemas de energía nuclear funcionan independientemente de la luz solar , lo cual es ventajoso para la exploración de Marte y el Sistema Solar exterior . Los RTG utilizados en las misiones a Marte incluyen los rovers Curiosity y Perseverance y los módulos de aterrizaje Viking . Todas las naves espaciales que abandonan el Sistema Solar , es decir, Pioneer 10 y 11 , Voyager 1 y 2 , y New Horizons utilizan RTG de la NASA , al igual que las misiones a planetas exteriores de Galileo , Cassini y Ulysses . Sin embargo, debido a los costos, la escasez mundial de plutonio-238 , [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] y los avances en la eficiencia de las células solares , [ 7 ] las misiones más recientes a Júpiter han optado por paneles solares . La NASA también desarrolló el generador avanzado de radioisótopos Stirling .

Los reactores de fisión nuclear espaciales tuvieron un uso experimental limitado durante la Guerra Fría . Pueden alcanzar salidas eléctricas de kilovatios , aproximadamente un orden de magnitud más que los RTG, pero esto conlleva una ingeniería más compleja, un mayor costo y mayores riesgos. Estados Unidos probó el primer y único reactor espacial a bordo del SNAP-10A durante 43 días en 1965. [ 8 ] El programa US-A de la Unión Soviética probó los reactores BES-5 y TOPAZ-I en el espacio, además de desarrollar los reactores Romashka y TOPAZ-II . Con cinco kilovatios de potencia eléctrica, TOPAZ-I era el sistema nuclear más potente conocido en el espacio. Los satélites de ambos países también utilizaron propulsores iónicos de energía eléctrica , lo que los convierte en los únicos usos experimentales de la propulsión eléctrica nuclear . El programa soviético causó problemas con la contaminación de la desintegración del Kosmos 954 sobre Canadá, los desechos espaciales persistentes de su refrigerante de sodio-potasio y la radiación que interfirió con los telescopios de rayos gamma . La NASA también desarrolló el reactor Kilopower .

Además de la propulsión eléctrica nuclear , se han desarrollado sistemas de propulsión espacial nuclear más potentes y se han sometido a pruebas en tierra. Los cohetes térmicos nucleares normalmente utilizaban grandes reactores con hidrógeno líquido como refrigerante y propulsor , y alcanzaban impulsos específicos que duplicaban los de los motores de cohetes químicos . Estados Unidos llevó a cabo pruebas de encendido en tierra en la década de 1960 bajo el Proyecto Rover y NERVA , mientras que el RD-0410 de la Unión Soviética se probó en tierra en 1985. [ 9 ] Los sistemas especulativos incluyen la propulsión de pulso nuclear , los cohetes térmicos nucleares pulsados ​​y la propulsión de fusión nuclear , y fueron explorados por el Proyecto Orión , el Proyecto Dédalo y el Proyecto Longshot .

Peligros y regulaciones

En la imagen se observa una cápsula de combustible SNAP-19 intacta entre los restos en el fondo del Océano Pacífico , como resultado del lanzamiento fallido de un misil Nimbus B.
Gotas de aleación de sodio-potasio (NaK) similares a las liberadas en órbita terrestre alta por los reactores de fisión del programa soviético RORSAT.

Peligros

Después de la prohibición de armas nucleares en el espacio por el Tratado del Espacio Ultraterrestre en 1967, la energía nuclear ha sido objeto de debate al menos desde 1972 como un tema delicado para los estados. [ 10 ] Las fuentes de energía nuclear espaciales pueden sufrir accidentes durante las fases de lanzamiento, operación y fin de servicio, lo que resulta en la exposición de las fuentes de energía nuclear a condiciones físicas extremas y la liberación de materiales radiactivos a la atmósfera y al medio ambiente de la superficie terrestre. [ 11 ] Por ejemplo, todos los Sistemas de Energía Radioisotópica (RPS) utilizados en misiones espaciales han utilizado Pu-238. El plutonio-238 es un elemento radiactivo que emite partículas alfa. Aunque la NASA afirma que existe en las naves espaciales en una forma que no se absorbe fácilmente y que presenta poco o ningún riesgo químico o toxicológico al entrar en el cuerpo humano (por ejemplo, en el diseño de las naves espaciales estadounidenses, el dióxido de plutonio existe en forma cerámica para evitar su inhalación o ingestión por parte de los humanos, y se coloca dentro de estrictos sistemas de protección de seguridad), no se puede negar que puede liberarse y dispersarse en el medio ambiente, lo que supone un peligro tanto para el medio ambiente como para la salud humana. [ 12 ] El Pu-238 se acumula principalmente en los pulmones, el hígado y los huesos por inhalación en forma de polvo, lo que supone un riesgo para la salud humana. [ 13 ]

Accidentes dentro de la atmósfera

Históricamente, se han producido varios accidentes medioambientales relacionados con la energía nuclear espacial.

En 1964, un cohete Thor-Ablestar que transportaba el satélite Transit 5BN-3 no logró alcanzar la órbita, destruyéndose durante su reentrada en la atmósfera sobre el hemisferio sur. Su kilogramo de combustible de plutonio-238, contenido en el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) SNAP-9A, se liberó a la estratosfera . Un informe de 1972 del Departamento de Energía, basado en un análisis de muestras de suelo, atribuyó 13,4 kilocurios de Pu-238 al accidente, de los 17 kilocurios totales del kilogramo. Esto contrastaba con los 11.600 kilocurios de estroncio-90 depositados por todas las pruebas de armas nucleares. [ 14 ]

En mayo de 1968, un cohete Thor-Agena que transportaba el satélite Nimbus B fue destruido por un error de guiado. Su generador termoeléctrico de radioisótopos SNAP-19 de plutonio fue recuperado intacto, sin fugas, del fondo marino del Pacífico, reacondicionado y volado en el Nimbus 3. [ 15 ]

En abril de 1970, la misión lunar Apolo 13 fue abortada debido a la explosión de un tanque de oxígeno en el módulo de servicio de la nave. Al reingresar a la atmósfera, el módulo lunar equipado con el generador termoeléctrico de radioisótopos SNAP-27 explotó y se estrelló en el Océano Pacífico Sur, sin fugas de combustible nuclear. [ 11 ] Este es el único sistema nuclear que voló intacto y que permanece en la Tierra sin ser recuperado.

A principios de 1978, la nave espacial soviética Kosmos 954 , propulsada por un reactor de uranio altamente enriquecido de 45 kilogramos, entró en un descenso incontrolado. Debido al punto de impacto impredecible, se tomaron medidas para la posible contaminación de las zonas habitadas. Este suceso puso de relieve el peligro potencial de los objetos espaciales que contienen materiales radiactivos, enfatizando la necesidad de una planificación internacional estricta para emergencias y el intercambio de información en caso de accidentes nucleares espaciales. También propició la formulación intergubernamental de protocolos de emergencia, como la Operación Morning Light , en la que Canadá y Estados Unidos recuperaron conjuntamente 80 fragmentos radiactivos en un radio de 600 kilómetros en los Territorios del Noroeste de Canadá. COSMOS 954 se convirtió en el primer ejemplo de planes globales de preparación y respuesta ante emergencias para satélites que transportan fuentes de energía nuclear. [ 16 ]

restos de gotas de NaK

La mayoría de los sistemas de energía nuclear lanzados al espacio permanecen en órbitas de cementerio alrededor de la Tierra. Entre 1980 y 1989, los reactores de fisión BES-5 y TOPAZ-I del programa soviético RORSAT sufrieron fugas de su refrigerante líquido de aleación de sodio y potasio . Cada reactor perdió en promedio 5,3 kilogramos de sus 13 kilogramos de refrigerante total, lo que suma un total de 85 kilogramos en 16 reactores. Un documento de la ESA de 2017 calculó que, si bien las gotas más pequeñas se desintegran rápidamente, 65 kilogramos de refrigerante aún permanecen en gotas de tamaño centimétrico alrededor de  las órbitas de 800 km de altitud, lo que comprende el 10 % de los desechos espaciales en ese rango de tamaño. [ 17 ]

Problema de positrones atrapados

La estructura de la magnetosfera terrestre. Los positrones atrapados producidos por fisión precesan a lo largo de las líneas de campo rojas más internas y pueden interferir con los instrumentos de los satélites.
Diagrama de las naves Kosmos 1818 y Kosmos 1867, que transportaban los reactores de fisión TOPAZ-I.
Ilustración del satélite de la misión Solar Maximum de la NASA.
Ilustración del satélite astronómico de rayos X Ginga del ISAS.
Los satélites Solar Maximum Mission y Ginga , ambos equipados con telescopios de rayos gamma, se vieron afectados por la contaminación de positrones de los reactores.

Los reactores de fisión orbitales son una fuente de interferencia significativa para los observatorios orbitales de rayos gamma . A diferencia de los RTG, que dependen en gran medida de la energía de la desintegración alfa , los reactores de fisión producen radiación gamma significativa , y la cadena de uranio-235 libera el 6,3 % de su energía total como rayos gamma instantáneos (mostrados a continuación) y retardados (desintegración de productos hijos): [ 18 ]

01norte + 92235U⟶ 56141Licenciado en Letras + 3692Kr + 3 01norte +γ{\displaystyle {\begin{array}{r}^{1}_{0}{\text{n}}\ +\ _{92}^{235}{\text{U}}\longrightarrow \ _{56}^{141}{\text{Ba}}\ +\ _{36}^{92}{\text{Kr}}\ +\ 3\ _{0}^{1}{\text{n}}\ +\gamma \end{array}}}

La producción de pares se produce cuando estos rayos gamma interactúan con el reactor o el material adyacente, expulsando electrones y positrones al espacio:

γ+Z⟶ mi++mi−+Z {\displaystyle \gamma +{\text{Z}}\longrightarrow \ e^{+}+e^{-}+{\text{Z}}\ }

Estos electrones y positrones quedan atrapados en los tubos de flujo de la magnetosfera , que los transportan a través de diversas altitudes orbitales, donde los positrones pueden aniquilarse con la estructura de otros satélites, produciendo nuevamente rayos gamma:

mi++mi−⟶γ +γ{\displaystyle e^{+}+e^{-}\longrightarrow \gamma \ +\gamma }

Estos rayos gamma pueden interferir con los instrumentos de los satélites. Esto ocurrió de manera notable en 1987, cuando los reactores nucleares TOPAZ-I (6–10 kWe) a bordo de los vehículos de prueba gemelos RORSAT Kosmos 1818 y Kosmos 1867 afectaron a los telescopios de rayos gamma a bordo de la Misión Máximo Solar de la NASA y del Ginga de la Universidad de Tokio / ISAS . TOPAZ-I sigue siendo el reactor de fisión más potente operado en el espacio, ya que las misiones soviéticas anteriores utilizaron el reactor BES-5 (2–3 kWe) a altitudes muy inferiores a las de los observatorios de rayos gamma. [ 19 ]

Reglamentos

Reglamentos nacionales

No se puede ignorar la presencia de fuentes nucleares espaciales ni las posibles consecuencias de los accidentes nucleares para los seres humanos y el medio ambiente. Por lo tanto, los gobiernos han establecido regulaciones estrictas para la aplicación de la energía nuclear en el espacio ultraterrestre con el fin de mitigar los riesgos asociados al uso de fuentes nucleares espaciales. [ 20 ]

Por ejemplo, en Estados Unidos, las consideraciones de seguridad se integran en cada etapa del diseño, las pruebas, la fabricación y la operación de los sistemas nucleares espaciales. La NRC supervisa la propiedad, el uso y la producción de materiales e instalaciones nucleares. El Departamento de Energía está obligado por la Ley Nacional de Política Ambiental (NEPA) a considerar el impacto ambiental del manejo, el transporte y el almacenamiento de materiales nucleares. [ 11 ] [ 21 ] La NASA, el Departamento de Energía y otras autoridades federales y locales desarrollan planes de emergencia integrales para cada lanzamiento, incluyendo una comunicación pública oportuna. En caso de accidente, se despliegan equipos de monitoreo equipados con equipos de apoyo altamente especializados y estaciones automatizadas alrededor del sitio de lanzamiento para identificar posibles liberaciones de material radiactivo, cuantificar y describir el alcance de la liberación, predecir la cantidad y distribución del material disperso, y desarrollar y recomendar acciones de protección. [ 22 ]

Reglamentos internacionales

A nivel mundial, tras el incidente COSMOS 954 de 1978, la comunidad internacional reconoció la necesidad de establecer un conjunto de principios y directrices para garantizar el uso seguro de las fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre. En consecuencia, en 1992, la Asamblea General adoptó la resolución 47/68, titulada «Principios pertinentes para el uso de fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre». [ 23 ] Estos principios abordan principalmente la evaluación de la seguridad, el intercambio internacional de información y el diálogo, la responsabilidad y la compensación. Estipula que el Comité sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos deberá revisar los principios a más tardar dos años después de su adopción. [ 23 ] Tras años de consultas y deliberaciones, en 2009 se adoptó el Marco Internacional de Seguridad para las Aplicaciones de Fuentes de Energía Nuclear en el Espacio Ultraterrestre con el fin de mejorar la seguridad de las misiones espaciales que utilizan fuentes de energía nuclear. Ofrece orientación a ingenieros y diseñadores de misiones, si bien su implementación efectiva requiere su integración en los procesos existentes. [ 24 ] [ 25 ]

El «Marco de Seguridad» afirma que cada nación es responsable de la seguridad de su energía nuclear espacial. Los gobiernos y las organizaciones internacionales deben justificar la necesidad de las aplicaciones de energía nuclear espacial en comparación con posibles alternativas y demostrar su uso basándose en evaluaciones de seguridad exhaustivas, incluido el análisis de riesgos probabilísticos, con especial atención al riesgo de exposición pública a radiación nociva o materiales radiactivos. Las naciones también deben establecer y mantener órganos, sistemas y preparación para emergencias de supervisión de seguridad sólidos para minimizar la probabilidad y mitigar las consecuencias de posibles accidentes. [ 25 ] A diferencia de los «Principios» de 1992, el «Marco de Seguridad» se aplica a todo tipo de desarrollo y aplicaciones de fuentes de energía nuclear espacial, no solo a las tecnologías existentes en ese momento. [ 24 ]

En el borrador del informe sobre la aplicación del Marco de Seguridad para las Aplicaciones de Fuentes de Energía Nuclear en el Espacio Ultraterrestre, publicado en 2023, el grupo de trabajo considera que dicho marco ha sido ampliamente aceptado y ha demostrado ser útil para los Estados miembros en el desarrollo y/o la implementación de sistemas y políticas nacionales para garantizar el uso seguro de las fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre. Otros Estados miembros y organizaciones intergubernamentales que actualmente no participan en la utilización de fuentes de energía nuclear en el espacio también reconocen y aceptan el valor de este marco, teniendo en cuenta las cuestiones de seguridad asociadas a dichas aplicaciones. [ 26 ]

Beneficios

Tanto las sondas Viking 1 como Viking 2 utilizaron generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) para obtener energía en la superficie de Marte. (Imagen: vehículo de lanzamiento Viking).

Energía y calor

Los sistemas de energía nuclear funcionan independientemente de la luz solar, lo cual es muy ventajoso para la exploración del Sistema Solar exterior , es decir, Júpiter y más allá. Todas las naves espaciales que abandonan el Sistema Solar , es decir, Pioneer 10 y 11 , Voyager 1 y 2 , y New Horizons utilizan RTG de la NASA, al igual que las misiones a los planetas exteriores de Galileo , Cassini y Ulysses . Sin embargo, en parte debido a la escasez mundial de plutonio-238 , [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] y los avances en la eficiencia solar, [ 7 ] las misiones más recientes a Júpiter de Juno , Jupiter Icy Moons Explorer y Europa Clipper , así como la misión al asteroide troyano de Júpiter Lucy , optaron por grandes paneles solares a pesar de un flujo solar relativo del 4% en la órbita de Júpiter de 5,2 UA .

La energía solar se utiliza con mucha más frecuencia debido a su bajo costo y eficiencia, principalmente en órbita terrestre y lunar, y para misiones interplanetarias dentro del sistema solar interior , es decir, misiones a Mercurio, Venus, Marte y el cinturón de asteroides. Sin embargo, la energía nuclear se ha utilizado para algunas de estas misiones, como el generador termoeléctrico de radioisótopos SNAP-27 del programa Apolo para su uso en la superficie lunar, y el generador termoeléctrico de radioisótopos MMRTG en los rovers Curiosity y Perseverance de Marte .

Los sistemas basados ​​en energía nuclear pueden tener menos masa que las células solares de potencia equivalente, lo que permite naves espaciales más compactas que son más fáciles de orientar y dirigir en el espacio. Esto las hace útiles para satélites de radar como el programa RORSAT desplegado por la Unión Soviética. En el caso de los vuelos espaciales tripulados, los conceptos de energía nuclear que pueden alimentar tanto los sistemas de soporte vital como los de propulsión pueden reducir tanto el costo como el tiempo de vuelo. [ 27 ] El Apolo 12 marcó el primer uso de un sistema de energía nuclear en un vuelo tripulado, transportando un RTG SNAP-27 para alimentar el Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo . [ 28 ]

Representación artística de un satélite de reconocimiento por radar RORSAT , que normalmente funciona con un reactor de fisión BES-5 .

Alimentación de sistemas de radar

A medida que los detectores electromagnéticos activos, incluido el radar, observan una caída de potencia con la distancia dePAG∝R−4{\displaystyle P\propto R^{-4}}Las órbitas terrestres relativamente bajas son deseables.

La Unión Soviética no lanzó misiones interplanetarias más allá de Marte y, en general, desarrolló pocos generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). [ 29 ] Los RTG estadounidenses de la década de 1970 suministraban energía en el rango de 100 W. [ 30 ] Para los satélites de radar militar RORSAT (1967-1988), se desarrollaron reactores de fisión, especialmente el BES-5  , para suministrar un promedio de 2 kW al radar. A altitudes promedio de 255,3  km, se habrían deteriorado rápidamente si hubieran utilizado un gran panel solar en su lugar. [ 19 ]

El programa posterior de satélites radar Lacrosse/Onyx de Estados Unidos , cuyos lanzamientos comenzaron en 1988, operaba a altitudes de 420–718  km. Para alimentar el radar a este alcance, se utilizaba un panel solar de 45 m de longitud, que se especulaba que suministraba entre 10 y 20  kW. [ 31 ]

Propulsión

Se han propuesto las siguientes tecnologías y, en algunos casos, se han probado en tierra o en el espacio para la propulsión mediante energía nuclear. [ 32 ]

Tipos

Sistemas de radioisótopos

SNAP-27 en la Luna

Durante más de cincuenta años, los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) han sido la principal fuente de energía nuclear de Estados Unidos en el espacio. Los RTG ofrecen muchas ventajas: son relativamente seguros y no requieren mantenimiento, son resistentes a condiciones extremas y pueden funcionar durante décadas. Son especialmente deseables para su uso en zonas del espacio donde la energía solar no es una fuente de energía viable. Se han implementado docenas de RTG para alimentar 25 naves espaciales estadounidenses diferentes, algunas de las cuales llevan más de 20 años en funcionamiento. Se han utilizado más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos en misiones espaciales a nivel mundial (principalmente en Estados Unidos y la URSS). [ 37 ]

El generador avanzado de radioisótopos Stirling (ASRG, un modelo del generador de radioisótopos Stirling (SRG)) produce aproximadamente cuatro veces la energía eléctrica de un RTG por unidad de combustible nuclear, pero no se esperan unidades listas para el vuelo basadas en la tecnología Stirling hasta 2028. [ 38 ] La NASA planea utilizar dos ASRG para explorar Titán en un futuro lejano.

Diagrama en sección transversal del generador de radioisótopos Stirling avanzado.

Los generadores de energía radioisotópica incluyen:

Las unidades de calentamiento de radioisótopos (RHU, por sus siglas en inglés) también se utilizan en las naves espaciales para calentar los instrumentos científicos a la temperatura adecuada y garantizar su funcionamiento eficiente. Un modelo más grande de RHU, denominado Fuente de Calor de Uso General (GPHS, por sus siglas en inglés), se utiliza para alimentar los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG, por sus siglas en inglés) y el generador termoeléctrico de barrido (ASRG, por sus siglas en inglés).

Se han propuesto radioisótopos de desintegración extremadamente lenta para su uso en sondas interestelares con vidas medias de varias décadas. [ 39 ]

A partir de 2011, otra dirección de desarrollo fue un RTG asistido por reacciones nucleares subcríticas. [ 40 ]

Sistemas de fisión

Los sistemas de energía de fisión pueden utilizarse para alimentar los sistemas de calefacción o propulsión de una nave espacial. En cuanto a las necesidades de calefacción, cuando las naves espaciales requieren más de 100  kW de potencia, los sistemas de fisión resultan mucho más rentables que los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG).

En 1965, Estados Unidos lanzó un reactor espacial, el SNAP-10A , que había sido desarrollado por Atomics International , entonces una división de North American Aviation . [ 41 ]

En las últimas décadas se han propuesto varios reactores de fisión, y la Unión Soviética lanzó 31 reactores de fisión de baja potencia BES-5 en sus satélites RORSAT utilizando convertidores termoeléctricos entre 1967 y 1988.

En las décadas de 1960 y 1970, la Unión Soviética desarrolló los reactores TOPAZ , que utilizan convertidores termoiónicos, aunque el primer vuelo de prueba no se realizó hasta 1987.

En 1983, la NASA y otras agencias gubernamentales estadounidenses comenzaron el desarrollo de un reactor espacial de nueva generación, el SP-100 , mediante contratos con General Electric y otras empresas. En 1994, el programa SP-100 fue cancelado, principalmente por razones políticas, con la idea de adoptar el sistema de reactor ruso TOPAZ-II . Si bien algunos prototipos del TOPAZ-II fueron probados en tierra, el sistema nunca se utilizó en misiones espaciales estadounidenses. [ 42 ]

En 2008, la NASA anunció planes para utilizar un pequeño sistema de energía de fisión en la superficie de la Luna y Marte, y comenzó a probar tecnologías "clave" para que se hiciera realidad. [ 43 ]

Entre las naves espaciales y sistemas de exploración propuestos que utilizan sistemas de energía de fisión se incluyen SP-100 , la propulsión eléctrica nuclear JIMO y Fission Surface Power . [ 37 ]

reactor experimental pequeño SAFE-30

Se han desarrollado o están en desarrollo varios tipos de microrreactores nucleares para aplicaciones espaciales: [ 44 ]

Los sistemas de propulsión termonuclear (NTR) se basan en el poder calorífico de un reactor de fisión, ofreciendo un sistema de propulsión más eficiente que los impulsados ​​por reacciones químicas. La investigación actual se centra más en los sistemas eléctricos nucleares como fuente de energía para proporcionar el empuje necesario para propulsar las naves espaciales que ya se encuentran en el espacio.

Otros reactores de fisión espaciales para propulsar vehículos espaciales incluyen el reactor SAFE-400 y el HOMER-15. En 2020, Roscosmos (la Agencia Espacial Federal Rusa ) planea lanzar una nave espacial que utiliza sistemas de propulsión nuclear (desarrollados en el Centro de Investigación Keldysh ), que incluye un pequeño reactor de fisión refrigerado por gas con 1 MWe. [ 45 ] [ 46 ]

Representación artística de la misión orbital Jupiter Icy Moons para Prometheus, con el reactor a la derecha, que proporciona energía a los motores iónicos y a la electrónica.

Proyecto Prometeo

En 2002, la NASA anunció una iniciativa para el desarrollo de sistemas nucleares, que más tarde se conocería como Proyecto Prometeo . Una parte importante del Proyecto Prometeo consistía en desarrollar el Generador de Radioisótopos Stirling y el Generador Termoeléctrico Multimisión, ambos tipos de RTG. El proyecto también tenía como objetivo producir un sistema de reactor de fisión espacial seguro y de larga duración para la energía y propulsión de una nave espacial, reemplazando los RTG de larga data. Las restricciones presupuestarias provocaron la detención efectiva del proyecto, pero el Proyecto Prometeo ha tenido éxito en la prueba de nuevos sistemas. [ 47 ] Después de su creación, los científicos probaron con éxito un motor iónico de Propulsión Eléctrica de Alta Potencia (HiPEP), que ofreció ventajas sustanciales en eficiencia de combustible, vida útil del propulsor y eficiencia del propulsor en comparación con otras fuentes de energía. [ 48 ]

El proyecto Prometeo se descontinuó gradualmente en 2006.

Sistemas de energía de superficie de fisión

En 2006, la NASA presentó el proyecto de Energía Superficial por Fisión (FSP). El objetivo de dicho proyecto era permitir el desarrollo de un sistema de energía basado en la fisión nuclear para su uso en la superficie de la Luna. La NASA publicó estudios conceptuales de dicho sistema a lo largo de la década de 2010. [ 49 ]

En septiembre de 2020, la NASA y el Departamento de Energía (DOE) emitieron una solicitud formal de propuestas para un sistema de energía nuclear lunar, también conocido como proyecto de energía de superficie por fisión. [ 50 ] El proyecto está siendo gestionado por el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Cleveland, Ohio, y se financia a través del programa de Misiones de Demostración Tecnológica de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial. La NASA colabora con el Laboratorio Nacional de Idaho del DOE para impulsar esta misión. El objetivo del desarrollo de estos sistemas es apoyar al Proyecto Artemis en la ocupación de la Luna y proporcionar una fuente de energía fiable en áreas con ciclos de noche lunar de varias semanas de duración. Además, estos sistemas pueden extenderse a futuras misiones a Marte, lo que aumenta aún más la complejidad del diseño debido a fenómenos atmosféricos, como las tormentas de polvo.

La fase 1 del proyecto se centra en el desarrollo de diferentes diseños preliminares de material de uranio de bajo enriquecimiento para determinar la viabilidad de los distintos conceptos. Se espera que el sistema tenga una potencia de salida de 40 kW (54 hp) a 120 Vcc durante 10 años, pese menos de 6000 kg (13 000 lb) al caber en un módulo de aterrizaje y produzca menos de 5 rem por año a una distancia mínima de 1 km (0,62 mi) . [ 51 ] En 2022 se adjudicaron tres contratos de 5 millones de dólares a Lockheed Martin , Westinghouse Electric Corporation e IX (empresa conjunta de Intuitive Machines y X-energy ) para participar en el desarrollo de diseños de reactores para la conversión de energía, la disipación de calor, la gestión de energía y los sistemas de distribución. [ 52 ]      

Tal como está planteado actualmente, la ubicación inicial de la base estará situada en el polo sur de la Luna, lo que garantiza un flujo casi constante de luz solar para que las células solares alimenten los módulos habitacionales, estimándose que los límites de potencia se alcanzarán en 20 kW (27 hp) . El Sistema de Energía de Superficie por Fisión será el núcleo del sistema de flujo de energía y proporcionará el único método estable para la generación de energía sin depender de factores ambientales. Se espera que el reactor de demostración suministre 10 kW a la red, mientras que el sistema completo proporcionará 40 kW. Esto permitirá el uso de la utilización de recursos in situ (ISRU). [ 53 ]    

En 2025, el presidente Trump firmó una orden ejecutiva titulada "Garantizar la superioridad espacial estadounidense". Esta orden prioriza la colocación de reactores nucleares en la superficie lunar y en órbita para la NASA y la política espacial estadounidense. [ 54 ] En marzo de 2026, la NASA anunció que el desarrollo del Reactor Lunar-1 (LR-1), un reactor de energía de superficie de fisión para la base lunar, se basaría en el desarrollo y lanzamiento del Reactor Espacial-1 Freedom (SR-1) a Marte en diciembre de 2028. [ 55 ]

En 2024, Roscosmos y la CNSA anunciaron planes para construir un reactor nuclear en la Luna para 2035 para alimentar su base lunar tripulada. [ 56 ]

Sistemas betavoltaicos

Los sistemas de energía betavoltaica generan electricidad a partir de partículas beta emitidas durante la desintegración radiactiva, en lugar de a partir del calor de desintegración como en los generadores termoeléctricos de radioisótopos. En julio de 2026, City Labs lanzó BOHR, una misión de demostración CubeSat que transportaba su microfuente de energía betavoltaica NanoTritium basada en tritio , a bordo de la misión compartida Transporter-17 de SpaceX. La nave espacial utiliza energía solar convencional para las operaciones generales del bus del satélite, mientras que el sistema NanoTritium alimenta y valida la demostración de la carga útil. [ 57 ]

Imágenes

Una galería de imágenes de sistemas de energía nuclear espaciales.

Véase también

Notas

  1. ↑ Los ciclos abiertos permiten que el combustible nuclear salga al escape, los ciclos cerrados no.

Referencias

  1. ↑ Hyder, Anthony K.; RL Wiley; G. Halpert; S. Sabripour; DJ Flood (2000). Tecnologías de energía para naves espaciales . Imperial College Press . pág.  256. ISBN 1-86094-117-6.
  2. ↑ "Datos del Departamento de Energía: Unidades de calentamiento por radioisótopos" (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Sistemas de Energía Espacial y de Defensa. Diciembre de 1998. Archivado del original (PDF) el 27 de mayo de 2010. Consultado el 24 de marzo de 2010 .
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  4. 1 2 Greenfieldboyce, Nell. "La escasez de plutonio podría frenar la exploración espacial" . NPR.org . NPR. Archivado del original el 3 de agosto de 2020. Recuperado el 10 de diciembre de 2013 .
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  6. 1 2 Wall, Mike (6 de abril de 2012). "La producción de plutonio podría evitar la escasez de combustible para naves espaciales" . Space.com . Archivado del original el 3 de julio de 2013. Recuperado el 10 de diciembre de 2013 .
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  • KRUSTY - Reactor de kilopotencia que utiliza tecnología Stirling
  • Estudio de viabilidad de un pequeño sistema de energía de fisión nuclear.
  • Energía nuclear en el espacio - Oficina de Energía Nuclear - Departamento de Energía de EE. UU. (.pdf)
  • Papel SAFE-400 (reactor de fisión)
  • Concepto de diseño para un rover marciano propulsado por un reactor nuclear.
  • David Poston, "Energía nuclear espacial: reactores de fisión"
  • Diseño y pruebas de pequeñas centrales nucleares. Archivado el 29/11/2018 en Wayback Machine (archivo .pdf).
  • Información general sobre la NASA y la energía nuclear en el espacio.
  • La NASA busca energía nuclear para Marte (diciembre de 2017)