Tecnología nuclear para el espacio
Demostración del generador SNAP 3 a los líderes de los EE. UU., 1959. Foto del Departamento de Energía de EE. UU.
Ya en las primeras etapas del desarrollo de la industria espacial y de los cohetes, aparecieron las primeras propuestas para el uso de diversas tecnologías nucleares. Se propusieron y desarrollaron varias tecnologías y unidades, pero solo algunas de ellas alcanzaron el funcionamiento real. En el futuro, se espera la introducción de soluciones fundamentalmente nuevas.
Primero en el espacio
En 1954 se creó en EE. UU. El primer generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG o RTG). El elemento principal del RTG es un isótopo radiactivo que se desintegra naturalmente con la liberación de energía térmica. Con la ayuda de un termoelemento, la energía térmica se convierte en energía eléctrica, que se suministra a los consumidores.
La principal ventaja del RTG es la posibilidad de funcionamiento a largo plazo con características estables y sin mantenimiento. La vida útil está determinada por la vida media del isótopo seleccionado. Al mismo tiempo, dicho generador se caracteriza por una baja eficiencia y potencia de salida, y también necesita protección biológica y medidas de seguridad adecuadas. Sin embargo, las RTG han encontrado aplicación en varias áreas con requisitos especiales.
Preparativos para el lanzamiento del satélite Tansit 4A con el SNAP 3B RTG. Foto de NASA
En 1961 en los EE. UU. Se creó un RTG tipo SNAP 3B con 96 g de plutonio-238 en una cápsula. En el mismo año, el satélite Transit 4A, equipado con dicho generador, entró en órbita. Se convirtió en la primera nave espacial en órbita terrestre en utilizar energía de fisión nuclear. En 1965, la URSS lanzó el satélite Kosmos-84, su primer dispositivo Orion-1 RTG que usa polonio-210.
Posteriormente, las dos superpotencias utilizaron activamente RTG para crear tecnología espacial para diversos fines. Por ejemplo, varios rovers de Marte en las últimas décadas han sido impulsados por la desintegración de elementos radiactivos. Del mismo modo, se suministra energía a las misiones que se alejan del Sol.
Diagrama del motor NERVA. Foto de NASA
Durante más de medio siglo, los RTG han demostrado sus capacidades en varias áreas, incl. en la industria espacial, aunque siguen siendo una herramienta especializada para tareas específicas. Sin embargo, en tal función, los generadores de radioisótopos contribuyen al desarrollo de la industria, la investigación, etc.
Misil nuclear
Poco después del inicio de los programas espaciales, los países líderes comenzaron a estudiar la cuestión de la creación de un motor de cohete nuclear. Se han propuesto varias arquitecturas con diferentes principios operativos y diferentes beneficios. Por ejemplo, en el proyecto estadounidense Orion, se propuso una nave espacial que utiliza una onda de choque de ojivas nucleares de baja potencia para acelerar. Además, se estaban elaborando diseños de un aspecto más familiar.
En los años cincuenta y sesenta, la NASA y organizaciones relacionadas desarrollaron el motor NERVA (motor nuclear para aplicaciones de vehículos cohete). Su componente principal era un reactor nuclear de ciclo abierto. El fluido de trabajo en forma de hidrógeno líquido tuvo que ser calentado desde el reactor y expulsado a través de la boquilla, creando empuje. Un motor nuclear de este tipo era superior en rendimiento de diseño a los sistemas tradicionales de combustible químico, aunque era más peligroso en funcionamiento.
Motor RD-0410. Foto KBKHA
El proyecto NERVA se puso a prueba de varios componentes y de todo el conjunto. Durante las pruebas, el motor se encendió 28 veces y funcionó durante casi 2 horas, se confirmaron las características; no hubo problemas importantes. Sin embargo, el proyecto no recibió más desarrollo. A finales de los años sesenta y setenta, el programa espacial estadounidense se redujo seriamente y el motor NERVA fue abandonado.
En el mismo período, se llevó a cabo un trabajo similar en la URSS. Un proyecto prometedor propuso el uso de un motor con un reactor que calienta el fluido de trabajo en forma de hidrógeno líquido. A principios de los años sesenta se creó un reactor para dicho motor, y posteriormente se comenzó a trabajar en el resto de unidades. Durante mucho tiempo, continuaron las pruebas y el desarrollo de varios dispositivos.
La supuesta aparición del sistema Prometheus en configuración para un vuelo a Júpiter. Foto de NASA
En los años setenta, el motor RD-0410 terminado pasó una serie de pruebas de encendido y confirmó sus principales características. Sin embargo, el proyecto no recibió un mayor desarrollo debido a la alta complejidad y los riesgos. La industria nacional de cohetes y espacio siguió utilizando motores "químicos".
Remolcadores espaciales
En el curso de más trabajos de investigación y diseño en los Estados Unidos y en nuestro país, llegaron a la conclusión de que no es conveniente utilizar motores del tipo NERVA o RD-0410. En 2003, la NASA comenzó a probar una arquitectura fundamentalmente nueva para una nave espacial con una planta de energía nuclear. El proyecto se llamó Prometheus.
El nuevo concepto proponía la construcción de una nave espacial con un reactor de pleno derecho a bordo, que proporciona electricidad, así como un motor a reacción de iones. Tal aparato podría encontrar aplicación en misiones de investigación a larga distancia. Sin embargo, el desarrollo de "Prometheus" resultó ser prohibitivamente caro y los resultados se esperaban sólo en un futuro lejano. En 2005, el proyecto se cerró por falta de perspectivas.
Una primera versión del complejo TEM. Gráficos RSC Energia
En 2009, comenzó el desarrollo de un producto similar en Rusia. El "módulo de transporte y energía" (TEM) o "remolcador espacial" es para recibir una planta de energía nuclear de una clase de megavatios junto con un motor de iones ID-500. Se propone que la nave espacial se monte en órbita terrestre y se utilice para transportar varias cargas, acelerar otras naves espaciales, etc.
El proyecto TEM es muy complejo, lo que afecta su costo y términos de implementación. Además, hubo numerosos problemas organizativos. Sin embargo, a mediados de las décimas, los componentes individuales del TEM se sacaron para probar. El trabajo continúa y en el futuro puede conducir a la aparición de un verdadero "remolcador espacial". La construcción de un aparato de este tipo está prevista para la segunda mitad de los años veinte; puesta en servicio - en 2030
En ausencia de serias dificultades y el cumplimiento oportuno de todos los planes, el TEM puede convertirse en el primer producto de su clase en el mundo puesto en servicio. Al mismo tiempo, existe un cierto margen de tiempo, al tiempo que se excluye la posibilidad de la aparición oportuna de competidores.
Versión tardía de TEM. Gráficos roscosmos
Perspectivas y limitaciones
Las tecnologías nucleares son de gran interés para la industria espacial y de los cohetes. En primer lugar, las plantas de energía de diferentes clases pueden ser útiles. Los RTG ya han encontrado aplicaciones y están firmemente establecidos en algunas áreas. Los reactores nucleares en toda regla aún no se utilizan debido a sus grandes dimensiones y masa, pero ya hay desarrollos en buques con dicho equipo.
Durante varias décadas, las principales potencias espaciales y nucleares han elaborado y probado en la práctica una serie de ideas originales, han determinado su viabilidad y han encontrado las principales áreas de aplicación. Tales procesos continúan hasta el día de hoy y, probablemente, pronto darán nuevos resultados de naturaleza práctica.
Cabe señalar que las tecnologías nucleares no se han generalizado en el sector espacial y es poco probable que esta situación cambie. Al mismo tiempo, resultan útiles y prometedores en determinadas áreas y proyectos. Y es en estos nichos donde ya se está realizando el potencial disponible.
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