Traducido por Julio Batista
Original de Matt Williams para o UniversoHoy
Vivimos en una época de renacimiento de la exploración espacial, donde varias agencias planean enviar astronautas a la Luna en los próximos años. Isso será seguido durante la próxima década por misiones tripuladas a Marte por parte de la NASA y China, que pronto pueden unirse a otras naciones.
Estas y otras misiones que llevarán a los astronautas más allá de la órbita terrestre baja (LEO) y el sistema Terra-Lua requieren nuevas tecnologías, desde soporte vital y protección contra la radiación hasta potencia y propulsión.
Y cuando se trata de esto último, Nuclear Térmica y Propulsión Eléctrica Nuclear (NTP/NEP, siglas en inglés) es uno de los principales candidatos!
La NASA y el programa espacial soviético pasarían décadas investigando la propulsión nuclear durante la carrera espacial.
Hace unos años en la NASA relanzar su programa nuclear con el objetivo de desarrollar la propulsión nuclear bimodal -un sistema de dos partes que consta de un elemento NTP y NEP- que podría permitir tránsitos para marzo en 100 dias.
En el programa Conceptos avanzados innovadores de la NASA (NASA Innovative Advanced Concepts – NIAC) Para 2023, la NASA ha seleccionado un concepto nuclear para el desarrollo de la Fase I. Esta nueva clase de sistema de propulsión nuclear bimodal utiliza un «ciclo de cobertura de onda del rotor” y puede reducir el tiempo de tránsito de Marte a solo 45 días.
titulado a propósito «NTP/NEP bimodal con ciclo topping de rotor de olas(NTP/NEP Bimodal with a Wave Rotor Coverage Cycle, en traducción al portugués), fue presentado por el Profesor Ryan Gosse, Líder del Área del Programa de Hiperónica de la Universidad de Florida y miembro del Investigación aplicada de ingeniería de Florida (FLARE, na sigla en inglés).
A propuesta de Gosse, hay 14 seleccionados por la NAIC este año para el desarrollo de la Fase I, que incluyó una donación de US$12.500 para ayudar a mejorar la tecnología y los dos métodos involucrados. Otras presentaciones incluyeron sensores innovadores, instrumentos, técnicas de fabricación, sistemas de energía y más.
La propulsión nuclear se reduce básicamente a dos conceptos, ambos basados en tecnologías que se han probado y validado exhaustivamente.
Para la propulsión térmica nuclear (NTP), el ciclo consiste en un reactor nuclear que calienta el propulsor de hidrógeno líquido (LH2), transformándolo en gas de hidrógeno ionizado (plasma) que se dirige a través del puente de fuego para generar empuje.
Se han hecho varios intentos para construir una prueba de este sistema de propulsión, incluyendo o proyecto roverun esfuerzo de colaboración entre la Fuerza Aérea de los EE. UU. y la Comisión de Energía Atómica (AEC), que comenzó en 1955.
En 1959, la NASA reemplazó a la Fuerza Aérea y el programa entró en una nueva fase dedicada a las aplicaciones espaciales. isso finalmente levou ao Motor nuclear para aplicación en vehículos vírgenes (NERVA, siglas en inglés), un reactor nuclear de núcleo sólido que ha sido probado con éxito.
Cuando Era Apollo cerró en 1973, la financiación del programa se redujo drásticamente, lo que provocó su cancelación antes de que se pudieran realizar las pruebas. Durante este tiempo, los soviéticos desarrollaron su propio concepto NTP (RD-0410) entre 1965 y 1980 y realizó una sola prueba en solitario antes de que se cancelara el programa.
La propulsión eléctrica nuclear (NEP), por otro lado, se basa en un reactor nuclear para suministrar electricidad a un propulsor de efecto hall (motor de iones), que genera un campo electromagnético que ioniza y acelera un gas inerte (como el xenonio) para crear impulso. Los intentos de desarrollar esta tecnología incluyen el Prometheus da Iniciativa de sistemas nucleares (NSI) de la NASA (2003 a 2005).
Ambos sistemas tienen ventajas significativas sobre la propulsión química convencional, que incluyen una clasificación de impulso específico (Isp) más alta, eficiencia de combustible y densidad de energía prácticamente ilimitada.
Aunque los diseños de NEP se destacan por proporcionar más de 10 000 segundos de Isp, lo que significa que pueden mantener el impulso durante unas tres horas, el nivel de impulso es bastante bajo en comparación con las luces convencionales y NTP.
La necesidad de una fuente de energía eléctrica, dice Gosse, también aumenta la cantidad de calor en el espacio, donde la conversión de energía térmica es del 30 al 40 por ciento en circunstancias ideales.
Aunque los NTP de NERVA son el método preferido para las misiones tripuladas a Marte y Alemania, este método también tiene problemas para proporcionar fracciones de masa iniciales y finales adecuadas para misiones de alto delta-v.
Es por esto que se prefieren propuestas que incluyan ambos modos de propulsión (bimodal), ya que podrían combinar las ventajas de ambos. Sobre la propuesta de Gosse, propone un proyecto bimodal basado en un reactor NERVA de núcleo sólido que proporcionaría un impulso específico (Isp) de 900 segundos, el doble del rendimiento actual de dos fuegos químicos.
El ciclo que ofrece Gosse también incluye un compresor 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 de compresión o entrada de aire.
Junto con un motor NTP, el WR usaría el aumento de presión al calentar el reactor de combustible LH2 para comprimir aún más la masa de reacción. Como sugiere Gosse, proporcionará niveles de impulso comparables a un concepto NTP de clase NERVA, pero con un Isp de 1400-2000 segundos. Junto con un ciclo CIP, dijo Niño, los niveles de impulso se han mejorado aún más:
«Con un ciclo CIP, el ciclo de trabajo de Isp se puede aumentar aún más (1800 a 4000 segundos) con una adición mínima de masa seca. Este proyecto bimodal permite un tránsito rápido para misiones tripuladas (45 días a Marte) y revoluciona la exploración del espacio profundo de nuestra energía solar sistema.
Basada en la tecnología de propulsión convencional, una misión tripulada a Marte puede durar hasta tres años. Estas misiones se lanzarían cada 26 meses, cuando la Tierra y Marte estén más cerca (también conocida como oposición de Marte) y pasarían al menos de seis a nueve meses en tránsito.
Un tránsito de 45 días (seis semanas y media) reduciría la duración total de la misión a meses en lugar de años. Esto reduciría significativamente los principales riesgos asociados con los fallos de encendido en 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 proyectos de reactores que proporcionarían una fuente de energía estable para misiones de superficie de larga duración, donde la energía solar y eólica no siempre están disponibles.
Ejemplos incluyen Kilopower Reator de la NASA con tecnología Sterling (KRUSTY, na sigla en inglés) o reator hibrido fissão/fusão seleccionado para el desarrollo de la Fase I por la proyección 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 más productivas de lo que creemos!