Nuclear y aeroespacial: las tres nuevas vías

Una central eléctrica para alimentar la futura base lunar, un propulsor nuclear-térmico para viajar a velocidades récord, un motor nuclear eléctrico para enviar nuestras sondas a los confines del Sistema Solar… De repente, la energía nuclear parece ser su futuro, de todo el espacio. misiones. Lo cósmico parece todo trazado. Sin embargo, hace sólo un tiempo, poner en órbita tecnología nuclear era inimaginable: la perspectiva de una catástrofe, como un accidente durante el despegue debido a la contaminación radiactiva, apagó el entusiasmo. Entonces, ¿qué ha cambiado?

La gestión de riesgos, por un lado: en este ámbito, la industria espacial ha logrado avances significativos. Sobre todo, la carrera espacial ha vuelto a despegar en los últimos años y la energía nuclear promete una gran ventaja para quienes se atrevan a utilizarla.

“Percibimos un verdadero interés renovado en la fisión nuclear espacial, confirma Marion Le Flem, de la CEA. Particularmente en el contexto de la rivalidad China-Estados Unidos. “

Mientras China y Rusia alimentan el proyecto de una base lunar habitada para 2035, la NASA despliega su programa Artemis para enviar astronautas de regreso a la Tierra de nuestro satélite para 2026, si todo va bien. A más largo plazo, los ojos se volverán incluso hacia Marte. La fisión nuclear podría desempeñar un papel clave en todas estas ambiciones. “En términos de propulsión, es probable que divida el tiempo de viaje a Marte en dos o tres en comparación con la propulsión química actual y, por lo tanto, reduzca la exposición de la tripulación a la radiación cósmica dañina”.afirma Christophe Fongarland, experto en motores nucleares de la ESA.

Restricciones muy específicas

En el lado de las bases lunares, el uso de paneles solares para generar electricidad presenta serias limitaciones: la noche lunar puede durar 14 días y el polvo omnipresente en la superficie de nuestro satélite puede reducir drásticamente su eficiencia. “Un reactor nuclear puede producir durante 10 a 20 años sin ser reabastecido, con gran independencia de reabastecimientos desde la Tierra” souligne Anthony Calomino, de la NASA.

Por tanto, la idea es sumamente atractiva… sobre el papel. ¡Porque aún quedan muchos desafíos por superar antes de que esperemos impulsar la tecnología nuclear fuera de la atmósfera! “Existen limitaciones de espacio muy específicasestá de acuerdo Marion Le Flem. Un reactor debe, por ejemplo, ser mucho más compacto y liviano para caber en un cohete o satélite, más confiable para no requerir mantenimiento humano en el sitio y más resistente a las vibraciones durante el transporte. Esto cambia completamente las opciones técnicas. “

También surge la cuestión de realizar pruebas en condiciones reales. La investigación nuclear espacial ya había tropezado con este obstáculo en los años 1970: el demostrador del motor termonuclear del programa Nerva de la NASA fue probado en el desierto de Nevada, en los Estados Unidos. “Este prototipo liberó hidrógeno radiactivo al aire libre, lo que hoy en día ya no es posible debido a las normas de seguridad. radiológico” señala Christophe Fongarland. La NASA pretende superar este problema realizando pruebas directamente en el espacio.

“Un reactor nuclear puede producir electricidad durante 10 a 20 años sin necesidad de repostar” – ANTONIO CALOMINO, Responsable de desarrollos nucleares de la NASA

Por último, el riesgo de una explosión en la atmósfera durante el lanzamiento es el principal motivo de preocupación. La caída, en 1978, del satélite nuclear soviético Cosmos-954 en suelo canadiense todavía atormenta a muchos: los restos radiactivos quedaron esparcidos en unos 100.000 km²… También en este caso, la NASA parece haber encontrado una solución: evitar cualquier contaminación. “La reacción de fisión sólo se desencadenará una vez que el reactor se coloque en una órbita lo suficientemente alta” tranquiliza Antonio Calomino. Los lanzamientos de cohetes también siguen mejorando en términos de fiabilidad: mientras que la tasa de fracaso mundial en 2023 seguía siendo del 5%, la empresa SpaceX ha registrado hasta la fecha 374 lanzamientos exitosos de 377 de su cohete reutilizable Falcon 9, es decir, un riesgo de “sólo” 0,8 %. ¿Parece esto suficiente?

Imaginemos que instalamos, de aquí a 2040, un verdadero reactor nuclear en nuestro satélite, que proporcionaría energía suficiente para alimentar una base y extraer determinados recursos, como el agua. Se trata del ambicioso programa Fission Surface Power (FSP), lanzado en enero de 2024 por la NASA. Con sus 6 toneladas y un tamaño equivalente al de un simple coche, la minicentral debería producir al menos 40 kW de electricidad (el equivalente al consumo de 33 hogares estadounidenses durante unos diez años) e inspirarse en el proyecto Kilopower, todavía supervisado por la agencia espacial.

En 2018, el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) probó un prototipo experimental de 1 kW llamado Krusty. Diseñado pensando en la robustez y la sencillez, constaba de un núcleo de reactor, donde se produce la fisión nuclear, y bucles independientes de sodio líquido encargados de transmitir el calor producido a diferentes motores para convertirlo en electricidad. ¡Y si uno de los motores fallara, los demás aún podrían garantizar el funcionamiento normal del reactor! Finalmente, las aletas desplegadas hacia el exterior permitieron disipar el calor residual y evitar así el sobrecalentamiento del núcleo. “Krusty funcionó con uranio de grado militar, enriquecido al 90%. Sin embargo, en 2020, el gobierno americano quiso favorecer el uranio enriquecido a menos del 20% para limitar los riesgos radiológicos y acercarse a los estándares de la industria nuclear civil. revela Anthony Calomino, jefe de desarrollo nuclear de la NASA.

Este cambio tendrá consecuencias en el acondicionamiento del combustible, pero también en el diseño del reactor previsto para la Luna: será necesario, en particular, añadir paredes reflectantes para concentrar los neutrones y acelerar la reacción.

Con Draco, se trata de una vieja idea que la NASA está actualizando: la llamada propulsión nuclear “térmica”. ¿El principio? Utilizar el calor generado por el núcleo de un reactor para calentar un gas (en este caso, hidrógeno) a temperaturas muy altas. Lo que sigue es entonces similar a la propulsión química actual: el gas calentado se expande en una boquilla y es expulsado a alta velocidad, lo que proporciona la fuerza de empuje.

“Pero un reactor nuclear tiene el potencial de calentar el gas más rápido, y esto puede triplicar la eficiencia de la propulsión” especifica Marion Le Flem, jefa de laboratorio del CEA Paris-Saclay.

¡Con este sistema, el hidrógeno líquido pasa de -250°C a 2.400°C en menos de 1 segundo!

Sin embargo, tiene un inconveniente: la tecnología implica condiciones radiactivas y temperaturas extremas (diez veces superiores a las generadas por un reactor nuclear terrestre) y, por tanto, requiere materiales muy robustos.

“Este es un gran desafío, pero vamos por buen camino con las aleaciones basadas en carburo de circonio y grafito” dice Antonio Calomino.

Si todo va bien, un primer prototipo podría probarse en 2027 en el espacio, en condiciones de ingravidez, algo que nunca se había hecho antes. “Esto implicará validar nuestros modelos sobre los movimientos de los fluidos, en particular el hidrógeno, que se comporta diferente en microgravedad” especifica el jefe de la NASA.

Por último, a más largo plazo, la agencia espacial estadounidense tendrá que afrontar un último desafío: el de almacenar y mantener de forma sostenible toneladas de hidrógeno en forma líquida (la forma gaseosa tiende a fugarse muy rápidamente) y, por tanto, a temperaturas cercanas a la absoluta. cero (-273,15°C). Y sólo entonces planetas como Marte estarán a sólo dos o tres meses de distancia.

1. El hidrógeno líquido almacenado a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15°C) se envía desde el tanque a un reactor de fisión nuclear en miniatura.

2. Cerca del núcleo, se calienta repentinamente hasta 2.400°C, pasando del estado líquido al estado gaseoso a muy alta presión.

3. El gas se expulsa violentamente a través de la boquilla a una velocidad de unos 15 km/s, tres veces mayor que la de los propulsores químicos actuales.

En esta carrera nuclear espacial, Europa no se queda atrás. La CEA, a petición de la ESA, estudia desde junio de 2023 conceptos innovadores de propulsión. Uno de ellos se refiere a un sistema nuclear-eléctrico: el proyecto RocketRoll. En este proceso, el calor producido por el reactor se convierte en electricidad, como en el caso de un reactor nuclear convencional.

Luego, la electricidad se utiliza para polarizar iones de gases nobles (criptón o xenón), que luego se aceleran e impulsan a través de un campo magnético para producir empuje. Ciertamente, esta última es mucho menor que la aceleración generada por un motor termonuclear… Pero tiene la ventaja de ser muy eficiente en el consumo de combustible y, por tanto, puede funcionar de forma continua a distancias muy largas. ¡Suficiente para ampliar nuestros horizontes cósmicos!

“La electricidad nuclear será una fuente muy eficiente para alimentar vehículos ligeros equipados con propulsión iónica”dice Marion Le Flem.

Estos nuevos motores ya no dependerán de la exposición a la luz solar, a diferencia de muchas máquinas cuya electricidad se produce mediante paneles solares. Una ventaja importante, sobre todo para viajes más allá de Marte, donde la cantidad de luz percibida resulta insignificante.

Aunque el proyecto RocketRoll aún está en sus inicios, la ESA y la CEA esperan algún día iniciar el desarrollo de un primer prototipo. Podría ver la luz en 2035.

1. Como en una central eléctrica convencional, un mini reactor de fisión nuclear produce calor para generar electricidad.

2. Los electrones de alta energía formados se envían a átomos de xenón o criptón para ionizarlos.

3. Atraídos hacia la boquilla por rejillas cargadas eléctricamente, los iones se aceleran y luego se expulsan, lo que genera una fuerza de empuje continua.

La NASA y la agencia estadounidense de investigación de defensa probarán en órbita, a 2.000 kilómetros de la Tierra, un nuevo propulsor de hidrógeno propulsado por un reactor de fisión nuclear, el Draco. Y la energía atómica volverá al espacio.