Hace pocos días
saltaba la noticia:
Rusia planea desarrollar naves nucleares durante la próxima década para viajar a Marte. Sin embargo, se ha creado mucha confusión al respecto, pues mucha gente no tiene claro qué es exactamente eso de una "nave nuclear". Analicemos primero quién, cómo y dónde ha realizado estas declaraciones.
La noticia surgió a raíz del informe de Anatoli Pérminov -jefe de la agencia espacial rusa Roskosmos- ante la Comisión Presidencial sobre Modernización y Desarrollo Tecnológico de la Economía de Rusia. En este informe, se destaca que una de las prioridades para el desarrollo de la cosmonáutica durante el siglo XXI es
"la construcción de módulos energéticos de transporte basado en instalaciones de motores nucleares con una potencia de varios megavatios". El informe destaca que esta tecnología debe facilitar las misiones interplanetarias tripuladas y no tripuladas, poniendo el énfasis en un vuelo tripulado a Marte en este siglo. Además, Roskomos
estaría colaborando con Rosatom y el Instituto Keldish para finalizar el diseño del nuevo reactor de este "módulo nuclear" ya en 2012. El primer ejemplar podría volar nueve años y 600 millones de dólares después.
Entonces, ¿de qué tipo de vehículo estamos hablando? Pues de
un remolcador orbital que utilizaría un reactor nuclear para alimentar motores iónicos. A diferencia de lo que ha aparecido en la prensa, esta noticia no tiene relación directa alguna con "motores nucleares". La confusión ha surgido debido a la complejidad del uso de la energía nuclear en misiones espaciales, que puede ser de cuatro tipos bien diferenciados:
- Motores nucleares: utilizar un reactor nuclear para calentar directamente un fluido de reacción (normalmente hidrógeno) y mover así el vehículo. La experiencia rusa en este campo es amplia, aunque se limita a la creación de un sólo motor operativo: el RD-0410. Los motores nucleares térmicos no se deben usar en misiones desde la superficie terrestre por el peligro de contaminación radiactiva, pero en el espacio son una alternativa a los sistemas de propulsión química tradicionales. El acrónimo ruso de este tipo de instalación es YaRD (ЯРД).
- Utilización de un reactor nuclear para generar energía eléctrica y alimentar los sistemas de la nave en vez de usar paneles solares. En ruso, las siglas para designar a este tipo de reactor son YaEU (ЯЭУ).
- Empleo de un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) para generar energía eléctrica. No son reactores nucleares, sino que usan pequeñas cantidades de materiales radiactivos. Son instalaciones mucho más seguras y baratas, pero tienen menos potencia.
- Uso de un reactor nuclear para alimentar un sistema de propulsión eléctrico, como es el caso de los motores iónicos o de plasma. En ruso se conoce como YaEDU (ЯЭДУ).
Por lo tanto, a lo que se refiere el informe de Roskosmos es al empleo de YaEDU para misiones interplanetarias. A primera vista uno podría pensar que se trata de un proyecto muy ambicioso por su novedad, pero lo cierto es que Rusia tiene casi 50 años de experiencia en este campo. En realidad, estamos ante el último intento por parte de la industria rusa de resucitar un concepto en el que tiene mucha experiencia y que no es para nada nuevo.
Para entender mejor las posibilidades reales de este nuevo remolcador nuclear, vale la pena estudiar los proyectos nucleares realizados en la URSS y Rusia. No hablaré aquí de los motores nucleares (YaRD) o de los RTG rusos, ya que la discusión se podría tornar entonces interminable. La URSS desarrolló paralelamente en los años 60 varios reactores nucleares para su uso en el espacio. Los más famosos fueron los Buk y TOPAZ:
BukEl primer reactor nuclear espacial soviético sería el
BES-5 (БЭС-5, BES son las siglas en ruso de "estación eléctrica de a bordo"), más conocido como
Buk (Бук, "haya" en ruso). El 16 de marzo de 1961 el Comité Central del PCUS y el Consejo de Ministros de la URSS aprobó la resolución Nº 258-110 por la cual se aprobaba el desarrollo del BES-5. El 14 de agosto de 1964 ya sería operativo el prototipo de reactor nuclear espacial desarrollado por el Instituto Kurchatov de Investigación Nuclear, de apodo
Romashka, cuyas pruebas continuarían hasta 1966. Otras resoluciones del 3 de julio de 1962 (Nº 702-295) y del 24 de agosto de 1965 (Nº 651-244) impulsarían el proyecto para su uso en los satélites espías de observación mediante radar.
El origen de estos satélites fue el pánico que sentía la cúpula militar soviética ante las flotas de portaaviones de los Estados Unidos. Los militares soviéticos querían un sistema de satélites que pudiese seguir el rastro de los navíos norteamericanos bajo cualquier condición meteorológica y de iluminación, para lo cual debían usar vehículos con radar. Sin embargo, los radares demandan una enorme potencia eléctrica, potencia difícil de alimentar mediante paneles solares con la tecnología soviética de los años 60. Los militares no se lo pensaron dos veces: si había que construir un reactor nuclear para hacer realidad este satélite, pues se construía. Tal era la prioridad del proyecto. Este tipo de satélites recibiría el irónico nombre de
US-A (
УС-А,
Upravliaiemi Sputnik - Aktivni: Satélite Controlado - Activo) y sería construido por la oficina de diseño OKB-52/TsKB Mashinostroienia de Vladímir Cheloméi (oficina que por la misma época estaba encargada de las estaciones espaciales militares Almaz). Paralelamente se desarrollaría el programa de satélites US-P -con paneles solares- para detectar navíos estadounidenses de forma pasiva. Los satélites tendrían una masa de 3800-4300 kg y serían lanzados por cohetes Tsiklon-2 (11K67) en una órbita de 260 km de altura. A partir de 1969 la oficina KB Arsenal sería la encargada del diseño y construcción de los 17F16 US-A.
Nave US-A. El reactor Buk es el cono oscuro situado a la derecha. Las antenas de radar se aprecian a la izquierda plegadas.No obstante, el 3 de abril de 1965 se adelantaron los norteamericanos con su primer y hasta el momento único -que sepamos- reactor nuclear espacial, el
SNAP-10A (0,5 kW de potencia eléctrica), a bordo del satélite Snapshot. Tras esta experiencia, los norteamericanos consideraron que era más barato y eficiente utilizar RTGs en el espacio que reactores nucleares.
En 1963-1969 se realizaron los primeros prototipos de reactores BES-5 y en 1968-1970 se efectuaron pruebas con los tres primeros ejemplares operacionales (N16, N25 y N32). El 27 de diciembre de 1965 fue lanzado el Kosmos-102 con una maqueta del Buk. El 20 de julio de 1966 sería lanzada otra maqueta a bordo del Kosmos-125. Una tercera maqueta volaría con el Kosmos-198, el cual fue considerado erróneamente durante muchos años como el primer satélite soviético con un reactor nuclear. La última maqueta despegaría con el Kosmos-209 el 22 de marzo de 1968, ya que el despegue del 25 de enero de 1969 con otro prototipo fracasó debido a un fallo del lanzador.
El 3 de octubre de 1970 fue lanzado el primer US-A (
Kosmos-367) con el reactor BES-5 Nº 31. Aunque sólo funcionó en órbita durante 110 minutos, permitió obtener datos para la mejora del diseño del reactor. Tras otras nueve misiones experimentales, el BES-5 sería declarado operativo en 1975. El sistema operacional de satélites US-A recibiría el nombre de Legenda. En total serían lanzados nada más y nada menos que 31 satélites con reactores Buk. El 24 de enero de 1978, un satélite US-A (
Kosmos-954) reentró en la atmósfera terrestre sobre Canadá, contaminando una zona de 100 km2 con los residuos del reactor BES-5 Nº 58. Como resultado se introdujeron medidas de seguridad en las US-A consistentes en expulsar el núcleo del reactor a una órbita alta de 890 km al finalizar la misión. Situados en esta órbita, los reactores tardarían de 300 a 1000 años en quemarse en la atmósfera terrestre. No obstante, el sistema no era infalible, pues en 1982 el
Kosmos-1402 se quemó en la atmósfera con el reactor Buk Nº 70 sobre el Atlántico sur. Aunque obviamente el programa US-A fue mantenido en secreto, la inteligencia norteamericana pronto tuvo noticias de su existencia y lo bautizó como
RORSAT (Radar Ocean Reconnaissance SATellite). Este nombre fue aplicado por extensión al reactor nuclear que llevaban los US-A, por lo que aún es habitual referirse a los Buk como RORSAT, aunque se trata de una denominación ajena al proyecto.
Los Buk eran reactores de neutrones rápidos con una potencia eléctrica de 2,6 kW y fueron diseñados y construidos por la oficina OKB-670 de Bondaryuk en cooperación con otras organizaciones como la NPO Luch, NTTs Istok, GNTs FEI o el Instituto Kurchatov. En 1972 esta oficina sería fusionada con otras organizaciones para formar
NPO Krásnaia Zvezdá ("estrella roja"), la cual se encargaría a partir de entonces de los reactores BES-5. El 14 de marzo de 1988 sería lanzada la última US-A con un Buk, el Kosmos-1932. Hoy en día, la mayoría de los Buk continúan orbitando la Tierra en órbitas altas tras haber finalizado su misión. El último ejemplar de vuelo de un Buk viajó en 1993 desde Baikonur hasta la sede de Krásnaia Zvezdá.
Reactor BES-5 Buk (Novosti Kosmonavtiki).TOPAZPese a los accidentes (Kosmos-954 y Kosmos-1402), los Buk habían resultado un éxito, aunque evidentemente eran mejorables. Una de las prioridades era optimizar el diseño para emplear menor cantidad de material fisible, disminuyendo la complejidad de la instalación y la contaminación radiactiva en caso de accidente. Además, se buscaba un diseño más fiable, con menos propensión a fallos y errores durante el funcionamiento. Su desarrollo sería paralelo al de los Buk y el resultado fue el
TEU-5 Tópol, más conocido como
TOPAZ ("topacio", acrónimo en ruso de "[instalación] experimental de termoemisión con transformación en la zona activa"). La autorización oficial para desarrollar los TOPAZ tuvo lugar el 3 de julio de 1962 mediante la resolución Nº 702-295. Se encargó a la OKB-300 de Tumansky el diseño de este nuevo tipo de reactor mediante neutrones térmicos más eficiente. Los TOPAZ tenían una potencia eléctrica más de dos veces superior a la de los BES-5, aunque empleaban sólo 11,5 kg de material fisible, frente a los 30 kg de los Buk. Sólo dos reactores TOPAZ-1 fueron lanzados al espacio en 1987 dentro del marco del programa de satélites
Plazma-A (US-AM: Kosmos-1818 y Kosmos-1867) construidos por KB Arsenal. El diseño y construcción de los TOPAZ-1 pasaría finalmente a manos de la KB Krásnaia Zvezdá.
Reactor TOPAZ-1 (Novosti Kosmonavtiki).TOPAZ-2 y otros proyectosTomando como base de los TOPAZ, la TsKBM de Cheloméi desarrolló el
TOPAZ-2 Yenisey, el reactor nuclear soviético más avanzado. Su diseño fue autorizado por el decreto Nº 715-240 del 21 de julio de 1967 y debía haber sido empleado en los satélites de comunicaciones geoestacionarios Estafeta. Sin embargo, el TOPAZ-2 no llegaría a volar debido a los recortes presupuestarios de finales de los años 80 y el fin de la URSS. Pese a todo, se montaron 18 reactores y se realizaron pruebas en caliente con siete de ellos.
TOPAZ-2.Tras la resolución Nº 223 del 21 de agosto de 1974, se llevó a cabo un programa para forzar la potencia del TOPAZ-1 y aumentar sus sistemas de seguridad. Basándose en esta instalación, Energobak-TsKBM desarrolló el reactor
Zaryá para su uso en satélites espías opto-electrónicos. El Zaryá era básicamente un BES con más potencia (5,8 kW frente a los 2,6 kW nominales). En 1978 se desarrolló el
Zaryá-2 con una potencia de 24 kW y una vida útil de 10000 horas. También en 1978, NPO Krásnaia Zvezdá introdujo el
Zaryá-3, con 24,4 kW y una vida de 1,5 años. Ninguno de los reactores Zaryá tuvo continuidad al no encontrar un satélite donde poder ser usado.
Tabla comparativa de los distintos reactores espaciales.RKK Energía y MarteLa oficina de diseño OKB-1 de Serguéi Korolyov (actualmente la empresa
RKK Energía) comenzó a estudiar proyectos con propulsión nuclear para viajar a Marte ya en los años 50. Además de emplear motores nucleares térmicos en cohetes, durante los años 60 la OKB-1 sopesó la posibilidad del uso de reactores para alimentar a las estaciones interplanetarias (TMK, MEK, etc.) marcianas. En este caso no se trataba de usar los reactores como meras estaciones eléctricas (YaEU) como en el caso de los satélites US-A, sino usarlos de cara a un sistema de propulsión eléctrica (iónica o de plasma). También se estudió el uso de energía nuclear para estaciones espaciales como la
MKBS. A finales de los 60 y durante la década de los 70, los proyectos de un viaje tripulado a Marte quedaron en un segundo plano, pero resurgirían con fuerza en los años 80. En el periodo 1965-1982, RKK Energía experimentó con varios diseños de reactores, la mayoría de los cuales usaban litio como refrigerante (los Buk y TOPAZ empleaban NaK).
Diseño de reactor nuclear espacial de RKK Energía de 10-14 toneladas, 100-550 kW, refrigerado por litio y una vida útil de 3-5 años (RKK Energía).
Versión de 1987 de una nave tripulada marciana con dos reactores nucleares y propulsión iónica (RKK Energía).En 1982, tras el decreto del Gobierno de la URSS del 5 de febrero de 1981, la oficina NPO Energía comenzó a desarrollar el
remolcador nuclear interplanetario 17F11 Gerkules, que debía ser empleado en conjunción con el programa Energía-Burán. Gerkules se basaba en un proyecto anterior de 1978 y tendría un reactor de 550 kW para dar potencia a un conjunto de motores iónicos. El remolcador Gerkules estaba destinado a ser uno de los elementos de los programas tripulados a Marte que fueron investigados por NPO Energía en los años 80.
Remolcador nuclear Gerkules de 16 toneladas. A la izquierda está el reactor y a la derecha los tanques de xenón. Se aprecia el mástil con los motores iónicos (RKK Energía).Todos estos proyectos tenían como base común el empleo de propulsión eléctrica (iónica o de plasma) y un módulo de vivienda interplanetario (MEK) de 150-300 toneladas basado en la tecnología de las estaciones DOS (incluyendo un módulo de descenso marciano).
La versión de 1987 de esta nave tripulada marciana empleaba reactores nucleares de 7,5 MW y motores iónicos de xenón. En 1988 apareció
una versión de la misma nave con paneles solares para alimentar el sistema de propulsión iónico, versión que, con varias modificaciones, ha sobrevivido hasta la actualidad como uno de los conceptos de nave interplanetaria más realistas que existen. En los años 90, RKK Energía propondría una versión del Gerkules de 50-150 kW.
Versión de nave tripulada marciana de RKK Energía con un reactor nuclear y propulsión iónica de hace pocos años. El "triángulo" está formado por el blindaje antirradiación. Se aprecian los motores iónicos situados en una estructura perpendicular al plano del escudo de radiación. También se puede ver el escudo térmico del aparato de descenso marciano y una nave Klíper para el regreso a la Tierra (RKK Energía).Cooperación internacionalYa en 1989 tuvieron lugar conversaciones entre el Instituto Kurchatov y la firma norteamericana Space Power Inc para la comercialización en Occidente de los reactores espaciales soviéticos. Poco después se creó la empresa mixta ruso-estadounidense INTERTEK con el mismo fin. En 1991 y 1992,
dos reactores TOPAZ-2 fueron vendidos a los Estados Unidos por 13 millones de dólares dentro del marco de cooperación de un acuerdo muy desfavorable para Rusia, ya que los EEUU básicamente se limitaron a comprar la tecnología rusa por un precio irrisorio sin dar nada a cambio (a parte del dinero, obviamente). Uno de los reactores fue sometido a intensas pruebas de funcionamiento en los Estados Unidos. En 1995 se sugirió el uso de reactores basados en la tecnología del TOPAZ-2 dentro del programa
Nuclear Electric Propulsion Spaceflight Test Program. Dicho programa pretendía desarrollar una nave espacial prototipo de propulsión iónica-nuclear (YaEU), aunque sería cancelado tras una corta vida.
Sin embargo, en la segunda mitad de la década de los 90 asistiríamos a la aparición de multitud de proyectos similares. En los EEUU cobró fuerza el proyecto SP-100 para crear un reactor de 5 MW con una vida útil de 3-7 años para misiones interplanetarias. En Rusia se habló seriamente de resucitar el TOPAZ-3 -un proyecto de reactor de 40-100 kW- para naves geoestacionarias con una vida de 7 años. Por otro lado, el proyecto de sonda nuclear iónica
JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) pretendía emplear un reactor muy parecido al TOPAZ. Se entablaron conversaciones con la NASA para colaborar en la misión e incluso se llegó a hablar de una sonda similar a JIMO realizada entre la ESA y Rusia.
Conceptos de diseño de la misión JIMO a las lunas de Júpiter. Su diseño es muy similar a las propuestas de remolcadores de RKK Energía (Novosti Kosmonavtiki).A raíz de estos estudios, la empresa RKK Energía elaboró varios estudios de YaEU para remolcadores nucleares basados en su experiencia con el Gerkules y otros proyectos marcianos. Estos proyectos han permanecido en un segundo plano hasta la actualidad, pero evidentemente parece que ahora existe al menos la intención política de resucitarlos. Habrá que ver si también hay un apoyo económico firme.
En 2002, la administración Bush creó la
Nuclear Systems Initiative, programa que no dio frutos tangibles. En 2003, el
Proyecto Prometeo de la NASA para la aplicación de tecnologías nucleares en el espacio tampoco llegaría a ningún lado. La misión JIMO y otras similares serían finalmente canceladas por su alto coste y la mala prensa que tiene ante la opinión pública cualquier cosa que lleve el adjetivo "nuclear".
Pese a los reveses de esta tecnología al otro lado del Atlántico, durante esta década RKK Energía ha seguido trabajando con sus proyectos de reactores nucleares para propulsión iónica (YaEU). En repetidas ocasiones ha propuesto la construcción de un remolcador prototipo para su uso en el espacio cislunar terrestre, proyecto que no ha podido llevarse a cabo por falta de fondos.
Remolcador iónico sugerido por RKK Energía. La versión nuclear llevaría un reactor en vez de paneles solares para alimentar los motores iónicos (RKK Energía).Además, RKK Energía ha concretado el diseño de su remolcador nuclear en los últimos años. Este remolcador tendría una masa de unas 100 toneladas y emplearía un reactor de 6 MW con una vida útil de 15 años. Utilizaría motores iónicos de argón/xenón -la nave llevaría hasta 60 t de estos gases- y serviría para llevar a cabo misiones interplanetarias -tripuladas o no- por todo el Sistema Solar interior. Los detalles específicos de la nave dependen del tipo de misión, objetivo y financiación, pero está claro que cualquier diseño futuro de una nave nuclear eléctrica sería muy parecido a este diseño. Las ventajas de la propulsión nuclear eléctrica frente a otros sistemas de propulsión es aún motivo de discusión. El uso de paneles solares para alimentar los motores iónicos sería un concepto más sencillo de vender a la opinión pública, pero la enorme superficie que necesitaríamos para una nave tripulada, la complejidad de su montaje en órbita y otras variables (presión de radiación sobre los paneles, variación de la luminosidad con la distancia al Sol, etc.), hacen que esta opción presente graves inconvenientes. Por contra, la masa del escudo anti radiación dificulta la aplicación de reactores en misiones tripuladas. Por otro lado, si se combinase el uso de reactores con sistemas de propulsión de nueva generación como el
VASIMR, estaríamos ante un sistema muy eficiente y con muchas posibilidades de futuro.
Remolcador nuclear de RKK Energía: el proyecto que quiere potenciar ahora Roskosmos (RKK Energía).Es por eso que la noticia de estos días no es ni mucho menos una novedad en términos tecnológicos, pues RKK Energía lleva años trabajando con este tipo de proyectos, como podemos ver en este esquema de la empresa sobre los planes de exploración espacial para las próximas décadas:
Es evidente que RKK Energía apuesta fuertemente por el uso de propulsión nuclear eléctrica para el futuro de la exploración humana del Sistema Solar. Y ahora parece que el gobierno ruso también se muestra partidario de este sistema.
En el último MAKS 2009, el remolcador nuclear aparecía entre los proyectos de RKK Energía para una nave tripulada a Marte (Novosti Kosmonavtiki).Está claro que cualquier misión de este tipo no partiría de cero y se basaría en la amplia experiencia que posee Rusia con el uso de reactores nucleares en el espacio y en el diseño de motores iónicos y de plasma. Rusia no se resiste a dejar morir una tecnología en la cual sigue siendo líder, por lo que habrá que estar atentos al futuro de este proyecto. Si lograse hacerse realidad, Marte estaría mucho más cerca.
Referencias:- Pilotiruiemaia Ekspeditsia na Mars, Academia Rusa de la Cosmonáutica (Moscú, 2006).
- RKK Energia imeni S.P. Koroliova, Ed. Menonsovpoligraf (Moscú, 1996).
- Yadernie energueticheskie ustanovki, P.A. karasev (Atómnaia Strategia XXI, nº 30, junio 2007).
- Yadernoie Sozvezdie, Alexander Zhelezniakov (Atómnaia Strategia XXI, septiembre 2004)
- Yadernaia energuetika v kosmose, Albert Gafarov (Novosti Kosmonavtiki nº 4, 2005).
- Yadernie energueticheskie ustanovki. Yadernie raketnie dvigateli.(www.buran.ru).
- RSC Energia's Martian Mission Concept (actualmente desfasado).
- Reactores Nucleares en órbita, Gabriel García Sagario (Zemiorka).
- US-A, Mark Wade.
