NASA planea enviar misiones tripuladas a Marte durante la próxima década, pero el Viaje de 140 millones de millas (225 millones de kilómetros) al planeta rojo El viaje de ida y vuelta podría llevar varios meses o años..
Este tiempo de tránsito relativamente largo es el resultado del uso de combustible químico tradicional para cohetes. Una tecnología alternativa a los cohetes propulsados químicamente que la agencia desarrolla ahora se llama propulsión térmica nuclear, que utiliza fisión nuclear y podría un día impulsar un cohete que hace el viaje en sólo la mitad del tiempo.
La fisión nuclear implica recolectar la increíble cantidad de energía liberada cuando un neutrón divide un átomo. Este La reacción se conoce como reacción de fisión.. La tecnología de fisión está bien establecida en la generación de energía y en los submarinos de propulsión nuclear, y su aplicación para impulsar o impulsar un cohete algún día podría brindarle a la NASA una alternativa más rápida y poderosa a los cohetes impulsados químicamente.
La NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa están desarrollando conjuntamente tecnología NTP. Planean desplegar y demostrar las capacidades de un sistema prototipo en el espacio en 2027, lo que podría convertirlo en uno de los primeros de su tipo construido y operado por los EE. UU.
La propulsión térmica nuclear también podría algún día alimentar plataformas espaciales maniobrables que protegería los satélites estadounidenses dentro y fuera de la órbita de la Tierra. Pero la tecnología aún está en desarrollo.
soy un profesor asociado de ingeniería nuclear en el Instituto de Tecnología de Georgiacuyo grupo de investigación construye modelos y simulaciones para mejorar y optimizar diseños de sistemas de propulsión térmica nuclear. Mi esperanza y pasión es ayudar a diseñar el motor de propulsión térmica nuclear que llevará una misión tripulada a Marte.
Propulsión nuclear versus química
Los sistemas de propulsión química convencionales utilizan una reacción química que involucra un propulsor ligero, como hidrógeno, y un oxidante. Cuando se mezclan, estos dos se encienden, lo que hace que el propulsor salga muy rápidamente de la boquilla para impulsar el cohete.
Los científicos e ingenieros están trabajando en sistemas de propulsión térmica nuclear que tomarían propulsor de hidrógeno, lo bombearían a un reactor nuclear para generar energía y expulsarían el propulsor por la boquilla para levantar el cohete.
Estos sistemas no requieren ningún tipo de sistema de encendido, por lo que son confiables. Pero estos cohetes deben transportar oxígeno al espacio, lo que puede sobrecargarlos. A diferencia de los sistemas de propulsión química, los sistemas de propulsión térmica nuclear se basan en reacciones de fisión nuclear para calentar el propulsor que luego se expulsa de la boquilla para crear la fuerza motriz o empuje.
En muchas reacciones de fisión, los investigadores envían un neutrón hacia un isótopo más ligero de uraniouranio-235. El uranio absorbe el neutrón, creando uranio-236. Luego, el uranio-236 se divide en dos fragmentos (los productos de fisión) y la reacción emite algunas partículas variadas.
Las reacciones de fisión crean mucha energía térmica.
Más de 400 reactores nucleares en funcionamiento en todo el mundo Actualmente utilizan tecnología de fisión nuclear. La mayoría de estos reactores nucleares en funcionamiento son reactores de agua ligera. Estos reactores de fisión utilizan agua para frenar los neutrones y absorber y transferir calor. El agua puede generar vapor directamente en el núcleo o en un generador de vapor, que impulsa una turbina para producir electricidad.
Sistemas de propulsión térmica nuclear. funcionan de manera similar, pero utilizan un combustible nuclear diferente que tiene más uranio-235. También funcionan a una temperatura mucho más alta, lo que los hace extremadamente potentes y compactos. Los sistemas de propulsión térmica nuclear tienen aproximadamente diez veces más densidad de potencia que un reactor tradicional de agua ligera.
La propulsión nuclear podría tener una ventaja sobre la propulsión química para algunas razones.
La propulsión nuclear expulsaría el propulsor de la boquilla del motor muy rápidamente, generando alto empuje. Este alto empuje permite que el cohete acelere más rápido.
Estos sistemas también tienen un impulso específico elevado. Impulso específico Mide la eficiencia con la que se utiliza el propulsor para generar empuje. Los sistemas de propulsión térmica nuclear tienen aproximadamente el doble de impulso específico que los cohetes químicos, lo que significa que podrían reducir el tiempo de viaje en un factor de 2.
Historia de la propulsión térmica nuclear
Durante décadas, el gobierno de Estados Unidos ha financiado el desarrollo de tecnología de propulsión térmica nuclear. Entre 1955 y 1973, los programas de NASA, electricidad generaly Laboratorios Nacionales Argonne produjo y probó en tierra 20 motores de propulsión térmica nuclear.
Sin embargo, estos diseños anteriores a 1973 se basaban en combustible de uranio altamente enriquecido. Este combustible ya no se utiliza debido a su peligros de proliferación o peligros que tienen que ver con la difusión de material y tecnología nuclear.
El Iniciativa global de reducción de amenazaslanzado por el Departamento de Energía y Administración Nacional de Seguridad Nucleartiene como objetivo convertir muchos de los reactores de investigación que emplean combustible de uranio altamente enriquecido en combustible de uranio poco enriquecido y de alto ensayo, o HALEU.
El combustible de uranio poco enriquecido y de alto ensayo tiene menos material capaz de sufrir una reacción de fisión en comparación con el combustible de uranio altamente enriquecido. Por lo tanto, los cohetes necesitan cargar más combustible HALEU, lo que hace que el motor sea más pesado. Para resolver este problema, los investigadores están estudiando materiales especiales que utilizarían el combustible de manera más eficiente en estos reactores.
La NASA y el DARPA Cohete de demostración para operaciones ágiles cislunaresEl programa , o DRACO, pretende utilizar este combustible de uranio poco enriquecido y de alto ensayo en su motor de propulsión térmica nuclear. El programa prevé lanzar su cohete en 2027.
Como parte del programa DRACO, la empresa aeroespacial Lockheed Martin se ha asociado con BWX Technologies para Desarrollar los diseños del reactor y del combustible..
Los motores de propulsión térmica nuclear desarrollados por estos grupos deberán cumplir normas específicas de rendimiento y seguridad. Necesitarán tener un núcleo que pueda operar durante la misión y realizar las maniobras necesarias para un viaje rápido a Marte.
Idealmente, el motor debería ser capaz de producir impulsos específicos elevados y al mismo tiempo satisfacer los requisitos de alto empuje y baja masa del motor.
Investigación en curso
Antes de que los ingenieros puedan diseñar un motor que satisfaga todos estos estándares, deben comenzar con modelos y simulaciones. Estos modelos ayudan a los investigadores, como los de mi grupo, a comprender cómo manejaría el motor el arranque y el apagado. Estas son operaciones que requieren cambios rápidos y masivos de temperatura y presión.
El motor de propulsión térmica nuclear será diferente de todos los sistemas de energía de fisión existentes, por lo que los ingenieros necesitarán crear herramientas de software que funcionen con este nuevo motor.
mi grupo diseños y análisis Reactores de propulsión térmica nuclear mediante modelos. Modelamos estos complejos sistemas de reactores para ver cómo cosas como los cambios de temperatura pueden afectar la seguridad del reactor y del cohete. Sin embargo, simular estos efectos puede requerir una gran cantidad de potencia informática costosa.
Hemos estado trabajando para desarrollar nuevas herramientas computacionales que modelan cómo actúan estos reactores mientras están puesta en marcha y operada sin utilizar tanta potencia informática.
Mis colegas y yo esperamos que esta investigación algún día pueda ayudar a desarrollar modelos que puedan controlar el cohete de forma autónoma.
Este artículo fue publicado originalmente en La conversación por Dan Kotlyar del Instituto de Tecnología de Georgia. Lea el artículo original aquí.
