Como dijimos en su momento, no se trata de una decisión impulsiva de Roskosmos, sino del resultado de la experiencia de décadas en el estudio y empleo de reactores nucleares en misiones espaciales. El jefe de Roskosmos, Anatoli Pérminov, también desveló que sería el Centro Keldish el encargado de coordinar el proyecto para desarrollar una nueva generación de reactores espaciales. El Instituto Keldish no es ni mucho menos un recién llegado a este campo, pues lleva años trabajando con proyectos relacionados con el uso de la energía nuclear en el espacio.
El proyecto de Roskomos propone el desarrollo de un reactor nuclear con una potencia eléctrica útil superior a un megavatio, todo un desafío para la ingeniería rusa si tenemos en cuenta que la potencia de los reactores Buk (BES-5) y TEU-5 (TOPAZ-1) lanzados al espacio era de unos 6 kW solamente. Sin embargo, diferentes empresas y organismos de la URSS diseñaron reactores espaciales con potencias mucho mayores, como es el caso de RKK Energía y sus pruebas con reactores de 100-550 kW.
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).
Detalle de un reactor BES-5 Buk (Roskosmos).
Por otro lado, no debemos olvidar que también se construyeron reactores compactos operativos dentro del marco del programa del motor nuclear térmico RD-0410 (11B91) con potencias muy elevadas. En principio, los motores nucleares térmicos (YaRD) no formarían parte del nuevo programa iniciado por Roskosmos, ya que se favorece el uso de la energía eléctrica nuclear para alimentar sistemas de propulsión eléctricos. Sin embargo, a largo plazo se podrían aplicar algunas de las tecnologías creadas para el RD-0410 en el nuevo programa, especialmente aquellas que combinan el uso mixto de los reactores para producir propulsión térmica nuclear y como fuente de energía eléctrica para los sistemas de la nave y/o un sistema de propulsión eléctrico.
El motor nuclear térmico RD-0410 (Roskosmos).
La prioridad a la hora de diseñar la nueva generación de reactores espaciales rusos es aumentar su potencia sin que la masa del reactor se dispare. Una de las características de la propulsión eléctrica (iónica o de plasma) es que cuanto mayor sea la relación entre la potencia suministrada (vía reactor nuclear o paneles solares) y la masa de la nave, mayores velocidades se obtienen para el vehículo. Aunque esto pueda parecer una obviedad, hay que tener en cuenta que si usamos propulsión eléctrica, a partir de una cierta velocidad de escape de los gases del motor la velocidad del vehículo disminuye en vez de aumentar. Es decir, la eficiencia del sistema eléctrico es fundamental en este tipo de propulsión.
El futuro de los rectores nucleares espaciales pasa por aumentar su eficiencia y su potencia (Roskosmos).
Los reactores nucleares lanzados al espacio hasta la fecha han sido muy poco eficientes, en parte por limitaciones tecnológicas y en parte por motivos de seguridad y robustez del diseño (no es muy buena idea instalar una turbina en un reactor espacial). El Instituto Keldish lleva años estudiando modelos de reactores más potentes y eficientes, algunos de los cuales podemos ver en la siguiente tabla:
Como vemos, el diseño de reactor más eficiente es el YaEU-400, de 7 toneladas y 500 kW. Este diseño haría uso de una aleación de litio como refrigerante, de forma similar a los estudiados por RKK Energía entre 1965 y 1982 (los Buk y TOPAZ usaban NaK). La diferencia más obvia entre los diseños estudiados es el uso de neutrones rápidos o moderados. Sin entrar en los detalles del funcionamiento de un reactor nuclear -algo demasiado complicado para abordar en un sólo artículo-, la principal diferencia entre ambos tipos es la proporción de uranio enriquecido empleada. Como sabemos, el uranio natural está compuesto por dos isótopos: el U238 y el U235. El U235 está presente con una proporción de sólo el 0,72%, pero es el que nos interesa para poder tener una reacción nuclear sostenida. Los núcleos de U238 pueden experimentar fisión por la acción de un neutrón incidente, pero la probabilidad es nula para neutrones con energías inferiores a 1,5 MeV. Por contra, neutrones de cualquier energía pueden causar fisión en los núcleos de U235, aunque la sección eficaz de la colisión es mayor a menores energías. Por lo tanto, no se puede alcanzar una reacción de fisión sostenida usando uranio natural sin más. Para conseguir la reacción de fisión se enriquece el contenido en U235 hasta los niveles deseados, un proceso complejo y costoso. Por eso, la inmensa mayoría de reactores no emplean U235 puro, sino una mezcla de ambos isótopos. Para evitar que la mayoría de neutrones resultantes de la fisión se pierdan en colisiones resonantes con los núcleos de U238 se debe disminuir su energía mediante el uso de un moderador (normalmente grafito). Cuanto mayor sea la proporción de U235, menor será la cantidad de combustible y de moderador necesario: son los reactores de neutrones rápidos. Por contra, el coste del proceso de enriquecimiento y el posible uso de este material para la fabricación de armas nucleares, entre otros factores, obliga al uso de uranio ligeramente enriquecido. Para su empleo en misiones espaciales, los reactores no estarían limitados por algunas de las normas de seguridad que se derivan de su uso en la Tierra, ya que la radiación natural espacial debida al viento solar y a los rayos cósmicos es, a partir de cierta distancia de cualquier reactor, mucho mayor. Además, el riesgo del empleo del material fisible en programas militares es nulo (nadie va a ir a Marte a recoger el uranio).
Como hemos visto, la principal aplicación de este tipo de reactores sería alimentar sistemas de propulsión eléctrica. Rusia tiene amplia experiencia en el diseño y operaciones con motores de plasma de Efecto Hall (algo que veremos en una entrada posterior), aunque para cualquier nave que haga uso de esta nueva generación de reactores deberán construirse nuevos motores más eficientes y potentes. No es éste un requisito baladí, ya que el diseño de motores de plasma de gran tamaño presenta una serie de dificultades técnicas y teóricas considerables. En todo caso, se podrían usar grupos -hasta varias decenas- de motores de plasma para el sistema de propulsión. Para remolcadores de 20-50 toneladas podrían emplearse varios motores de 100 kW y 0,8 kgf, algo que entra dentro de las posibilidades de la tecnología rusa actual.
Algunos motores eléctricos (iónicos y de plasma) actuales. Habría que diseñar una nueva generación de estos sistemas para su uso en naves pesadas (Roskosmos).
Grupo de doce motores de plasma (diez primarios y dos de reserva) de 100 kW y 0,8 kgf cada uno para su uso en remolcadores orbitales (Roskosmos).
Una vez desarrollada esta nueva generación de reactores y motores eléctricos habría que buscarle un uso. Los primeros prototipos de remolcadores no tripulados con energía eléctrica nuclear podrían dedicarse a trayectos entre la órbita baja y la órbita geoestacionaria, o bien en misiones a los puntos de Lagrange o a la órbita lunar. Sin embargo, está claro que un programa de esta magnitud no justificaría su coste con estas misiones no tripuladas. Una aplicación a largo plazo sería su uso en sondas espaciales pesadas destinadas al Sistema Solar exterior (del tipo JIMO) o en misiones tripuladas, pero está claro que Rusia carece de los recursos económicos y materiales para afrontar este tipo de misiones en solitario.
Modelo de remolcador nuclear de 74 m de longitud con radiadores en paneles (Roskosmos).
Modelo de remolcador nuclear con radiadores al "estilo soviético" (Roskosmos).
Remolcador nuclear de RKK Energía (RKK Energía).
Funcionamiento del sistema de propulsión eléctrico-nuclear (Roskosmos).
El uso de reactores nucleares de nueva generación promete reducir la masa útil de una posible nave a Marte y, dependiendo del diseño, el tiempo de vuelo (Zakirov et al.).
La colaboración internacional sería imprescindible para sacar adelante estos ambiciosos proyectos, pero no es evidente cómo. Rusia, consciente del temor de las sociedades occidentales hacia la energía nuclear, ya intentó en los años 90 ofrecer a los EEUU esta tecnología para su programa espacial. El trato era algo así como "nosotros nos ocupamos de la parte 'sucia' -la energía nuclear- y ustedes del resto del proyecto". Pero las cosas no salieron como se esperaba y los Estados Unidos comenzaron a desarrollar por su cuenta sus propios programas de reactores nucleares espaciales de nueva generación, dejando a Rusia al margen. Pese a todo, ninguno de estos programas logró llegar a buen puerto. Tampoco la ESA mostró interés en una sonda nuclear conjunta a Júpiter y Europa usando esta tecnología. No hay motivo para pensar que a día de hoy la situación internacional haya cambiado drásticamente y una misión nuclear internacional esté más cerca de hacerse realidad.
Sonda nuclear eléctrica para el estudio de Europa (usando un radar) y Júpiter diseñada en Rusia en los 90 (Roskosmos).
Tampoco está claro por qué Rusia ha decidido embarcarse precisamente ahora en este proyecto. Es cierto que puede tratarse de una mera declaración de intenciones que no se traduzca en una financiación real. Al fin y al cabo, Rusia se enfrenta a varios desafíos espaciales mucho más críticos para su futuro que el desarrollo de reactores nucleares espaciales, como son el cosmódromo de Vostochni, la nueva nave tripulada PPTS y los lanzadores Angará y Rus-M. Tampoco es evidente el grado de colaboración con el Instituto Keldish por parte de otros organismos y empresas con experiencia en este campo, como son el Instituto Kurchatov, NPO Luch, NPO Krásnaia Zvezdá, RKK Energía o NIKIET, entre otros. Obviamente, de tratarse de un esfuerzo conjunto, las posibilidades de este proyecto serían mucho mayores.
En cualquier caso, está claro que Rusia posee la tecnología para diseñar una nueva generación de reactores nucleares espaciales. El futuro dirá si las intenciones se traducen en hechos.
Referencias:
- Aktualnie Zadachi v Kosmonavtiki XXI veka, A. S. Koroteiev (director del Centro Keldish).
- Russian Nuclear Rocket Engine Design for Mars Exploration, Vadim Zakirov y Vladimir Pavshook (Tsinghua Science snd Technology, volumen 12, número 3, junio 2007.
- Yadernaia Energuetika v kosmose-2005, A. Gafarov (Novosti Kosmonavtiki, mayo 2005).
- Rocket and Spacecraft Propulsion, Marin J. L. Turner (Springer-Praxis, 2009).
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