Extraordinario articulo sobre la aplicación de la energía nuclear para fines de exploración espacial.
La sonda New Horizons con los generadores de radioisótopos a la izquierda (NASA).
La energía nuclear en un vehículo espacial se puede usar bien como parte de un sistema de propulsión, bien para generar electricidad, o bien para ambas cosas. En el primer caso, aunque en los Estados Unidos y la Unión Soviética se construyeron prototipos de motores nucleares, nunca se llegaron a probar en el espacio. Hasta la fecha, el uso de la energía nuclear fuera de la Tierra se ha limitado a generar electricidad y calor en misiones donde la energía solar es escasa (sondas más allá de la órbita de Marte) o en naves con un alto consumo energético (los satélites soviéticos US-A o Plazma-A).
Los sistemas nucleares para generar electricidad se dividen en dos tipos: reactores nucleares y generadores termoeléctricos o calefactores. Los reactores nucleares pueden suministrar electricidad casi ilimitada, pero debido a su coste y complejidad no se recomienda su uso para potencias inferiores a los 10 kW. Por contra, los generadores termoeléctricos de radioisótopos suelen ser idóneos en el rango 1-5 kW.
La energía nuclear es ideal para altas potencias y largas duraciones (NASA).
Los generadores termoeléctricos utilizan el calor generado por la desintegración de cierta cantidad de un isótopo radiactivo (normalmente plutonio 238) para crear electricidad a través de termopares. Estos sistemas se conocen en inglés con las siglas RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) o en ruso como RITEG (РИТЕГ, Радиоизотопные Термоэлектрические Генераторы), es decir, generadores termoeléctricos de radioisótopos. En determinadas ocasiones, también se ha usado este calor para controlar la temperatura de los vehículos sin necesidad de crear electricidad, denominándose en este caso sistemas RHU (Radio-Isotope Heater Units) o BO (БО, Блоки Обогрева).
Lista de todos los RTGs y RHUs
usados en misiones espaciales (en rojo los de Rusia/URSS). SNAP: Systems
for Nuclear Auxiliary Power program; GPHS-RTG, general-purpose heat
source; RHU: radioisotope heater unit; LWRHU: lightweight radioisotope
heater unit; MHW-RTG: multi-hundred-watt RTG.
Dos modelos de RTG de la NASA (NASA).
Esquema de un RHU (NASA).
Los EEUU han empleado RTGs y RHUs de forma intensiva en sus misiones espaciales. No en vano, un total de 27 naves espaciales norteamericanas han empleado RTGs (algunas con RHUs adicionales), incluidas las únicas misiones que han viajado más allá de Júpiter. Otras cuatro sondas han hecho uso de RHUs para controlar la temperatura de las naves, como por ejemplo la misión Cassini, que además de sus tres RTGs incorpora 82 pequeños RHUs de 1 W de potencia para mantener los equipos a la temperatura adecuada (la sonda europea Huygens incorporaba 35 RHUs adicionales). También podemos citar el ejemplo de la sonda Galileo, que utilizaba nada más y nada menos que 120 RHUs con 2,68 g de plutonio cada uno.
El caso es que los Estados Unidos han mandado vehículos con RTGs a la superficie de Marte y a todos los planetas exteriores. Además, cinco misiones Apolo usaron RTGs en la superficie lunar para alimentar los instrumentos del ALSEP. Hasta la fecha, los RTGs del programa Apolo constituyen el único ejemplo del uso de estos sistemas en misiones tripuladas.
Un astronauta del Apolo retira la carga de plutonio 238 del módulo lunar para el RTG del ALSEP (NASA).
RTG SNAP-27 (NASA).
Los RTG de las sondas Voyager (NASA).
Pero no todo ha sido un camino de rosas. En 1964, el satélite Transit 5BN-3 reentró en la atmósfera terrestre con su RTG de plutonio 238, aunque no se detectó ninguna contaminación radiactiva a resultas del incidente. Cuatro años después, el cohete que transportaba al satélite meteorológico Nimbus B1 falló y el satélite cayó a tierra. Por suerte, el RTG fue recuperado y procesado para su uso en una misión posterior. No obstante, el accidente más llamativo relacionado con los RTGs fue el del Apolo 13. Como es sabido, los astronautas de esta misión tuvieron que usar su módulo lunar (LM) Aquarius como bote salvavidas para dar la vuelta a la Luna y regresar a la Tierra sanos y salvos. Pero lo que no es tan conocido es que el LM Aquarius se desintegró con su RTG SNAP-27 de plutonio 238 sobre el Pacífico sur. Eso sí, al igual que en el caso del Transit 5BN-3, no se detectó ninguna fuga radiactiva en la zona. Y no es casualidad, ya que los RTGs están diseñados para evitar la fuga de material radiactivo en caso de una explosión durante el lanzamiento o de una reentrada atmosférica del vehículo.
Curiosamente, la Unión Soviética apenas empleó esta fuente de energía en sus misiones espaciales. Esto contrasta con el uso generoso de RTGs en la industria civil soviética, donde se utilizaron como fuente de alimentación de todo tipo de sistemas (por ejemplo, en radiofaros). Por contra, la URSS prefirió usar directamente reactores nucleares, de ahí que los RTGs no fuesen muy populares en el programa espacial soviético. Aparte de los satélites experimentales Kosmos-84 y Kosmos-90, la Unión Soviética sólo empleó RTGs en los dos Lunojod lunares, aunque en este caso su función no era generar electricidad, sino mantener el vehículo a una temperatura adecuada durante la fría y larga noche lunar. Los RTGs de los Lunojod se denominaban "Orión" y usaban polonio 210 como isótopo radiactivo, lo que contrasta con el plutonio 238 empleado en todos los RTGs y RHUs norteamericanos. El polonio 210 permitía un diseño más compacto de los RTGs gracias a una potencia térmica específica de 141 W/g, pero por otro lado la vida útil era muy inferior a los modelos de plutonio, del orden de 125 días solamente. Teniendo en cuenta que las misiones soviéticas de la época tenían una esperanza de vida muy limitada, el polonio no era una mala opción.
Sin embargo, la malograda sonda marciana Mars-96 incorporaba cuatro pequeños RTGs del modelo "Ángel" con 17 gramos de plutonio 238 y 0,2 W de potencia eléctrica cada uno. Las dos estaciones de superficie de la sonda llevaban dos RTGs Ángel y dos RHUs de 8,5 W a base de polonio 210. Los RTGs, así como el resto de la sonda, terminaría estrellándose en la selva sudamericana. Hasta la fecha, nadie ha encontrado los restos de esta misión ni ninguna traza de contaminación radiactiva significativa. La búsqueda continúa.
La sonda Mars 96: cada cápsula de descenso tenía dos RTGs y dos RHUs (IKI).
Mini-RTG Ángel de la sonda marciana rusa Mars 96 (Roskosmos).
Antiguo RTG soviético de uso civil (Wikipedia).
Frente a la escasez de RTGs, la URSS lanzó un total de 34 reactores nucleares al espacio, mientras que los Estados Unidos sólo han puesto en órbita una unidad (oficialmente). El por ahora primer y único reactor nuclear norteamericano fue el SNAP-10A, lanzado el 3 de abril de 1965. Con una masa de 295 kg, este reactor generaba un máximo de 43 kW de potencia térmica y 580 W de potencia eléctrica. Aunque los EEUU probaron en tierra los reactores SNAP-2 y SNAP-8, no llegaron a la fase operativa, como tampoco el SNAP-100, un programa iniciado en los años 80. En este punto conviene recordar que bajo el programa SNAP (Systems Nuclear Auxiliary Power) se desarrollaron tanto RTGs como reactores nucleares, pero obviamente hay que tener en cuenta que se trata de sistemas muy diferentes.
Reactor nuclear norteamericano SNAP-10A (NASA).
Nave SNAPSHOT con el reactor SNAP-10A (NASA).
La experiencia de la URSS en este campo fue mucho más rica, con un total de 34 reactores espaciales, 32 del tipo Buk (BES-5) y dos del tipo TOPAZ (TEU-5 Tópol). Los Buk, de 1450 kg, se emplearon para alimentar los sistemas de los satélites espías US-A (conocidos en occidente como RORSAT), cuyo objetivo era la detección mediante radar de los grupos de portaaviones norteamericanos en alta mar. Los reactores Buk también protagonizaron los que probablemente sean los accidentes nucleares espaciales más famosos. Dos Buk (Kosmos-954 y Kosmos 1402) reentraron en la atmósfera terrestre contaminando la zona de caída con materiales radiactivos. Los TOPAZ sólo volarían en dos ocasiones a bordo de satélites Plazma-A (US-AM, Kosmos-1818 y Kosmos-1867).
Satélite espía US-A con el reactor Buk (a la derecha). La URSS lanzó
Reactor Buk (BES-5). 1: reactor
nuclear; 2: tubería de metal líquido refrigerante (NaK); 3: escudo de
radiación; 4: tanque de metal líquido; 5: radiador; 6: TEG; 7:
estructura (Novosti Kosmonavtiki/ Instituto Kurchatov).
Reactor TOPAZ. 1: sistema de
suministro de vapor de cesio; 2: convertor termoiónico; 3: tubería del
refrigerante de metal líquido (NaK); 4: escudo antiradiación; 5: tanque
de metal líquido; 6: radiador; 7: estructura (Novosti
Kosmonavtiki/Instituto Kurchatov).
Reactor Yenisey (TOPAZ-2) (Novosti Kosmonavtiki).
Reactores nucleares espaciales.
La caída de la URSS impidió que el reactor avanzado Yenisey (TOPAZ-2) entrase en servicio, aunque entre 1970 y 1988 se fabricaron 26 unidades operativas. Dos de estas unidades TOPAZ-2 fueron compradas por los EEUU en 1991. Actualmente, la mayoría de reactores soviéticos Buk y TOPAZ siguen en órbita.
La energía nuclear se ha mostrado una herramienta imprescindible para las sondas espaciales, especialmente para aquellas que han viajado más allá de Marte. No obstante, los altos costes asociados a esta tecnología y la mala imagen pública ha dificultado su uso. En los últimos años, las reservas de plutonio 238 de la NASA para sondas espaciales han disminuido de forma alarmante, y eso a pesar de haber comprado a Rusia abundantes reservas de este isótopo. Si los EEUU no reanudan la fabricación de plutonio, el futuro de algunos proyectos de sondas espaciales norteamericanas para la próxima década puede estar en peligro.
Por otro lado, Rusia se ha comprometido recientemente a crear un reactor nuclear para misiones espaciales, aunque con la crisis actual el programa está progresando muy lentamente. En cuanto a los EEUU, el último intento de desarrollar un reactor nuclear espacial tuvo lugar durante la administración Bush y se saldó en fracaso, al igual que los programas que lo precedieron. Una pena, porque sólo misiones de tipo JIMO, con propulsión eléctrica nuclear, serán capaces de romper los límites de los sistemas de propulsión convencionales para poder explorar el Sistema Solar a nuestro antojo.
Sonda JIMO de propulsión nuclear eléctrica (NASA).
Referencias:
- Priorities in space science enabled by nuclear power and propulsion, National Research Council (2006).
- Yadernaya Industriya, Ígor N. Beckman.
- Reactores Nucleares en órbita, Gabriel García Sagario (Zemiorka).
- JIMO (NASA).
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