Papel Cohete 1000
Durante este discurso, la sala de conferencias llena de ingenieros de la NASA estalló en un atronador aplauso. Todo el mundo entiende el mensaje: en resumen, ¡desarrollen cohetes de propulsión nuclear para enviar humanos a Marte!
De hecho, esto no es repentino: hace unos años, los informes, las investigaciones y las exposiciones de la NASA en conferencias estaban llenos de pistas sobre la energía nuclear.
El director de la NASA, Jim Breeden, habla a menudo de este tema y nunca oculta su entusiasmo. Además, el Congreso de Estados Unidos también ha comenzado a proporcionar financiación para la investigación y el desarrollo de esta tecnología: sólo en 2020, la asignación será nada menos que 654,38 dólares o 25 millones de dólares. Sin duda, más de una docena de laboratorios y empresas participan silenciosamente en investigaciones relacionadas.
"No hay duda de que Estados Unidos espera desarrollar un prototipo de cohete de propulsión nuclear dentro de unos años", afirmó Stefan Oriol, jefe de investigación de propulsión líquida del CNES.
¿Vehículo de lanzamiento atómico? Tenga en cuenta que este no es el pequeño generador de isótopos con una potencia de aproximadamente 1.000 vatios utilizado por sondas espaciales como Voyager, Cassini-Huygens, Curiosity y Mars 2020; esos dispositivos solo pueden obtener energía débil del calor generado por la desintegración del plutonio. 238.
Esta vez, la NASA claramente está considerando usar un reactor nuclear real para fisionar el bloque de combustible de uranio-235 y crear una reacción en cadena, ¡produciendo alrededor de 500 millones de vatios de energía térmica! Inmediatamente, el hidrógeno líquido se vaporizó y expandió en un ambiente de alta temperatura (temperatura cercana a 3000°C), y luego rápidamente se expulsó, reaccionando para formar empuje.
Quizás, a los ojos de la gente, utilizar una tecnología que ha encontrado una oposición masiva en un vehículo de lanzamiento espacial se parezca más a una escena de una mala película de ciencia ficción u otra provocación del gobierno de Estados Unidos. Después de todo, todo el mundo conocía los posibles riesgos de este dispositivo radiactivo.
Sin embargo, para los diseñadores de misiones tripuladas de larga distancia en las próximas décadas, el atractivo de esta tecnología tan difamada es grandioso, incluso irresistible. Todos los cálculos son coherentes. Un reactor nuclear produce un empuje de hasta 654,38 millones de newtons, lo que supone el doble de eficacia que la propulsión química actual, es decir, la propulsión mediante explosiones de hidróxido.
En una industria que apuesta por el peso ligero y la alta velocidad, las ventajas de la energía nuclear quedan claras a simple vista: el mismo empuje, la mitad de consumo de combustible, pero la velocidad final es el doble.
De hecho, la energía nuclear es una fuente de energía altamente enriquecida: 1 kilogramo de uranio-235 equivale a quemar 2,7 millones de toneladas de carbón. Utilizando la tecnología de fisión nuclear, no es necesario transportar decenas de toneladas de oxígeno para su combustión, sino que sólo es necesario transportar hidrógeno, el elemento más ligero del universo, y luego expulsarlo.
“Es mucho más fácil acelerar el hidrógeno en la salida de la tubería que acelerar la gran cantidad de moléculas de agua producidas por la combustión del motor químico, por lo que el primero es más eficiente”, señaló Stefan Orrell. .
Otros métodos de propulsión también son difíciles de igualar. Es cierto que la eficiencia de la propulsión eléctrica de los motores de iones es superior a la de la energía nuclear, pero "el empuje generado por los motores de iones es muy débil, sólo una fracción de Newton, por lo que se necesita mucho tiempo para alcanzar la velocidad necesaria para "Misiones de larga distancia y no es adecuado para operaciones tripuladas", destacó William Emrich, ingeniero de propulsión del Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) de la NASA. Asimismo, las velas solares no funcionan.
Ligera en peso, alta eficiencia y gran empuje, el uso de energía atómica puede reducir en gran medida la dificultad de los viajes tripulados a Marte.
Actualmente, para las misiones basadas en diseños de propulsión química, el transporte de materiales es una pesadilla y un desafío imposible:
Los ingenieros sólo pueden enviar hasta 500 toneladas de materiales y combustible a la órbita terrestre para mantener la integridad de la nave espacial. También hay que tener en cuenta la orientación del planeta, que es un período breve (de 3 o 4 semanas) que sólo se produce una vez cada 26 meses; para esperar la mejor orientación, los astronautas pueden permanecer atrapados cerca de Marte durante 1,5 años; Además, viajar a Marte llevará mucho tiempo, al menos seis meses, lo que provocará que los astronautas expuestos a la microgravedad, los rayos cósmicos y la extrema soledad se enfrenten a graves problemas físicos y psicológicos.
“La propulsión química puede enviar a los humanos a la órbita terrestre, a la Luna o incluso a Marte, pero no es realista viajar de un lado a otro entre la Tierra y Marte”, concluyó William Enrich.
El uso de energía nuclear podría reducir potencialmente el peso del combustible de las naves espaciales y permitir velocidades más rápidas. Según simulaciones preliminares de la NASA, el tiempo de viaje de la Tierra a Marte podría acortarse entre un 20 y un 50 por ciento en comparación con el uso de propulsión química, lo que haría que los lanzamientos fueran más flexibles. "Los ingenieros pueden lanzar incluso si la posición relativa entre los dos planetas no es ideal, lo que amplía la ventana de lanzamiento y les permite explorar rutas que no son posibles con propulsión química y eléctrica", señala Stefan Oler.
En vista de esto, la NASA planea utilizar energía atómica para lanzar misiones durante la "Mars rush to the sun" (Marte y la Tierra están alineados en el mismo lado del sol) para evitar que los astronautas se queden en Marte Demasiado tiempo. La medida podría acortar la duración total de la misión de más de 900 días a 500 días, dejando tiempo suficiente para la exploración de Marte y reduciendo los riesgos para los astronautas.
Más importante aún, si las personas encuentran problemas graves con el motor nuclear, tienen la oportunidad de terminar la misión inmediatamente y regresar a la Tierra dentro de los tres meses posteriores al inicio del vuelo, o incluso justo después de llegar a Marte. Si se utiliza un propulsor químico, una vez que entra en la órbita de transferencia de fuego de la Tierra, el cohete sólo puede regresar a la Tierra en un plazo de unas pocas horas o, como máximo, de unos pocos días. La importancia de estas garantías de seguridad para los ingenieros es evidente.
La propulsión nuclear todavía tiene una última carta de triunfo: en realidad es una vieja amiga de los ingenieros de la NASA. De hecho, de 1955 a 1973, esta organización había elaborado un completo plan de investigación sobre este tema.
Los equipos relevantes han construido y probado más de 20 reactores, dominado las deficiencias de diversos materiales y eliminado muchos obstáculos para la investigación en este campo. Incluso realizaron pruebas en profundidad de varios prototipos en el desierto de Nevada.
El proyecto fue abandonado posteriormente, pero no por motivos técnicos, sino porque Estados Unidos empezó a centrarse en la investigación de los transbordadores espaciales.
Ahora, "podemos utilizar los datos recopilados por este proyecto, que es realmente una mina de oro", afirmó Dale Thomas, profesor de ingeniería de sistemas en la Universidad de Alabama. Sin embargo, la seguridad del lanzamiento, la resistencia del material y la prevención de daños por radiación son cuestiones que deben resolverse. Además, como ocurre con otros reactores nucleares, también requieren atención los posibles descensos de temperatura y reacciones descontroladas. Por supuesto, en teoría nada es insuperable.
En la oficina del ingeniero, el boceto del reactor espacial ha sido colocado de nuevo sobre la mesa. Además de la NASA, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA) lanzó recientemente un proyecto de propulsión nuclear para controlar mejor el espacio cislunar e incluso luchar aquí. Se espera que el prototipo se lance en 2025. "Rusia y China también están estudiando esta tecnología", destacó Stefan Orrell.
El propulsor directo no es la única opción: algunas naves espaciales pueden alimentar propulsores de iones mediante reactores nucleares. Esta tecnología híbrida tarda en comenzar pero es extremadamente eficiente, lo que le permite enviar grandes cantidades de carga a Marte o la Luna a muy bajo costo. También puede entregar fácilmente más de diez toneladas de materiales científicos y tecnológicos a los satélites de Júpiter o Saturno, o participar en el desarrollo de los recursos espaciales.
“De hecho, los seres humanos no pueden alcanzar más del 90% del espacio del sistema solar mediante propulsión química en un plazo de tiempo razonable y, a medida que la nave espacial se aleja gradualmente del sol, la intensidad de la La radiación será cada vez más débil. Por lo tanto, es imposible llegar a estos lugares con la tecnología de células solares”, analizó Stefan Aurel. “Hay un sinfín de temas relacionados con la territorialización de planetas, planetas y asteroides, así como con la solución del problema del transporte de materiales más allá del planeta. La Tierra e incluso Marte se han convertido en una verdadera estrategia. El problema es que la energía nuclear parece ser un medio necesario para llegar a las profundidades del sistema solar. "La energía nuclear todavía se considera una fuente de energía indispensable para una base en Marte o en la Luna.
La gente acabará comprendiendo que los ingenieros aeroespaciales de hoy han sido conquistados por el encanto de la energía nuclear. Desde un punto de vista puramente técnico, la importancia de adoptar este enfoque es obvia.
De hecho, no hay ningún problema a nivel legal: el Tratado sobre el Espacio Ultraterrestre sólo prohíbe poner en órbita armas nucleares u otros cuerpos celestes. Pero ¿cómo se puede confiar en que la investigación se desarrolle sin contratiempos? ¿Cómo podemos ignorar el enorme temor de la gente que se encuentra alrededor del lugar de lanzamiento y bajo la trayectoria de vuelo de la nave espacial de propulsión nuclear? Muchos argumentos apoyan el uso de la energía nuclear, pero el método de emisión radiactiva es realmente un tema muy delicado, admite Francis Rocard, jefe del Proyecto de Exploración del Sistema Solar del CNES.
En el campo de la ingeniería aeronáutica, desde los años 1970 hasta los años 1980, el fallo de los reactores nucleares que alimentaban los satélites soviéticos dejó recuerdos amargos para el mundo. 1978 65438 El 24 de octubre, el satélite de propulsión nuclear Kosmos 954 se estrelló en el norte de Canadá. Se han tomado muchas medidas correctivas para eliminar la contaminación que causa. Además, el detector Cassini-Huygens, que tenía un pequeño generador de plutonio, enfrentó numerosas protestas antes de su lanzamiento en 1997.
En vista de las preocupaciones anteriores, la NASA planea no encender el reactor durante el lanzamiento, sino encenderlo después de que la nave espacial alcance una órbita estable lo suficientemente alta (más de 1.000 km sobre el nivel del mar) para proteger a las personas. En 1992, las Naciones Unidas también votaron a favor de aprobar una resolución que prohibía cualquier forma de fisión nuclear durante el despegue.
Además, la NASA no devolverá el cohete radiactivo a la Tierra: el módulo de propulsión entrará en una órbita "cementerio" y los astronautas utilizarán la cabina para regresar a la Tierra, como si regresaran del Espacio Internacional. Estación.
También se tomarán diversas precauciones durante las pruebas en tierra. Ésta ya no es la experimentación libre de los años 1960, cuando se bombeaba sin piedad a la atmósfera gas hidrógeno que podía estar contaminado con partículas de combustible radiactivo. Los ingenieros de la NASA están desarrollando un dispositivo de recuperación de polvo tóxico y están considerando utilizarlo en el banco de pruebas A-3 de la NASA en Mississippi.
Para calmar la controversia, "la NASA también ha considerado realizar estudios basados en simulaciones por computadora del reactor, muy similares a las pruebas nucleares", explicó Dale Thomas. Además, los diseñadores del primer vuelo de prueba no tripulado también se están centrando en la planificación de rutas para evitar una colisión posterior con la Tierra.
Entonces, ¿son suficientes estas precauciones? "La tecnología nuclear abre nuevas áreas de vuelo, pero no creo que la gente pueda aceptarla, independientemente de las precauciones que se tomen". Stéphany Leeds-Doutre, profesora asociada de ingeniería de sistemas aeroespaciales en el Instituto Nacional de Aeronáutica y Astronáutica Avanzada (ISAE) de Francia. ) (Sté phanie Lizy-Dutray) Dijo francamente: "Cuando hablé con el director del Centro Espacial de Guayana, me dijeron que todavía es un tabú porque no quieren provocar manifestaciones alrededor del lugar de lanzamiento".
Ya sea en el laboratorio o en la percepción pública, el destino de la tecnología atómica espacial puede marcar el comienzo de un progreso significativo. “Se acerca el momento crítico para enviar personas y suministros a Marte”, subrayó Frances Rocard. "Para realizar el primer sobrevuelo tripulado a Marte sin aterrizar, los estadounidenses deberían elegir lo antes posible entre la propulsión nuclear y la propulsión química". Para ello, la Academia Nacional de Ciencias (NAS) ha comenzado a consultar a expertos. "No puedo esperar a ver qué tecnología terminan recomendando en el informe", murmuró Dale Thomas.
¿Deberíamos atenernos a la tradicional y tranquilizadora tecnología de propulsión química, o deberíamos sucumbir a la tentación de la tecnología de propulsión nuclear? Es hora de elegir.
Autor Vincent Nourigat
Recopilado por Wang Juan