La NASA y el Departamento de Energía estadounidense (DOE, por sus siglas en inglés) han aprobado la financiación de tres proyectos que deben culminar en diseños conceptuales de un reactor nuclear apto para la propulsión en el espacio. El objetivo es avanzar hacia una tecnología mucho más eficiente que los actuales cohetes de propulsión química para viajar a otros planetas y explorar las regiones más alejadas del sistema solar. Los tres contratos, de cinco millones de dólares cada uno, se han firmado en julio de 2021 con otras tantas empresas que disponen de un año para hacer el desarrollo conceptual y el diseño de un reactor adecuado. Según Jim Reuter, responsable de la dirección de Tecnologías de Misiones Espaciales de la NASA, es un paso importante hacia equipos que puedan impulsar nuevas misiones y realizar emocionantes descubrimientos. 

Texto: Alicia Rivera | Periodista científica

L a decisión de dar este paso tecnológico hacia la propulsión nuclear de misiones espaciales se apoya en un reciente informe favorable de las academias nacionales de EE. UU., encargado por la propia NASA. Dicho informe, no obstante, advierte que tanto la propulsión térmica nuclear (NTP) como la nuclear eléctrica (NEP) tienen que superar obstáculos significativos para ser utilizadas en una misión tripulada a Marte a finales de la próxima década, como se pretende.

Las ideas y los trabajos preliminares en estas tecnologías tienen ya una trayectoria en EE. UU., llena de altibajos, aunque parece que ahora ganan impulso, tal vez espoleados por las intenciones declaradas de otras potencias espaciales en el mismo sentido. 

En 2018, por ejemplo, concluyeron en las instalaciones de alta seguridad en Nevada (EE. UU.), las pruebas de un nuevo reactor nuclear, denominado Kilopower, para su utilización en el espacio, según la revista Physics Today. Durante 28 horas, el reactor mantuvo una reacción en cadena controlada de uranio-235, que generó entre tres y cuatro kilovatios de energía térmica para producir electricidad. Y el interés por desarrollar esta tecnología se va concretando: en su plan presupuestario para 2022, la NASA propone una inversión de 585 millones de dólares en varios años para avanzar el ámbito de la propulsión nuclear. Los nuevos diseños y el desarrollo de nuevos materiales parecen despejar ahora el largo camino de esta tecnología. 

Las potenciales aplicaciones militares no son ajenas a este desarrollo tecnológico. La Agencia de Proyectos Avanzados de Investigación para Defensa (DARPA) aprobó en abril de 2021 un contrato de 22 millones de dólares con la empresa General Atomic (California) para diseñar un pequeño reactor nuclear de propulsión espacial. Se trata de la primera fase de un proyecto de demostración cuyo objetivo es “ensayar en órbita un sistema de propulsión térmica nuclear en 2025”, según informó SpaceNews. Por su parte, Rusia y China no están dispuestas a quedarse atrás: ambas potencias han anunciado programas de propulsión espacial nuclear, que pretenden concretar con equipos en órbita hacia 2030 y 2045, respectivamente. Mientras tanto, Reino Unido firmó en enero de 2021 un contrato de investigación con la empresa Rolls Royce con la vista puesta en el mismo propósito: definir y dar forma a soluciones nucleares para la Agencia Espacial británica, sin perder de vista el horizonte de la Agencia Europea del Espacio (ESA).  

Objetivo: Marte

Un sistema eficaz y seguro de propulsión nuclear agilizaría las misiones espaciales lejanas y acortaría los tiempos de viaje. En esto coinciden todos sus defensores. “Hasta ahora, solo han viajado a Marte robots de exploración, que no necesitan regresar a la Tierra”, recuerda la NASA. Los viajes se planifican aprovechando la posición orbital óptima de la Tierra y el planeta rojo para minimizar el trayecto, y esa posición adecuada tiene lugar, aproximadamente, cada 26 meses (por eso las diferentes misiones a Marte en las últimas décadas parece que parten en oleadas cada poco más de dos años). Pero en misiones tripuladas, los astronautas tienen que regresar a casa y “la espera de la alineación planetaria adecuada para el regreso exigiría que los astronautas permanecieran en el planeta vecino, tal vez sin mucho que hacer, durante más de un año, lo que alargaría la misión de ida y vuelta a más de tres años”, continúa la NASA. “El objetivo es minimizar el tiempo de viaje de las tripulaciones a unos dos años y los sistemas de propulsión nuclear pueden permitir acortar el plazo y aumentar la flexibilidad y la eficiencia”, añade la agencia espacial estadounidense.

La duración de una misión a Marte, dependiendo de las estrategias de viaje adoptadas, podría reducirse a la mitad si el viaje se realiza con propulsión termonuclear, sostiene el DOE, recalcando que en viajes más cortos los astronautas permanecerían menos tiempo expuestos a la radiación que soportarían durante el viaje interplanetario. 

Y quien dice Marte, dice más allá: las nuevas tecnologías ensanchan el horizonte de la exploración veloz del espacio lejano tanto con misiones tripuladas como con robots.

La idea de la propulsión nuclear espacial no es una novedad en la NASA, que tuvo en marcha un programa para su desarrollo en los años sesenta. Entre 1959 y 1972, la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial de la agencia realizó 23 ensayos de reactor en las instalaciones de la Comisión de Energía Atómica (AEC) en Nevada, recuerda Universe Today. La NASA y la AEC se embarcaron en el programa NERVA (Nuclear Engine Rocket Vehicle Applications) cuyo objetivo era desarrollar reactores nucleares para motores de cohetes. Pero los cambios de prioridades y los ajustes presupuestarios llevaron a la NASA a archivar estos trabajos a finales de 1972. 

El célebre pionero espacial Wernher Von Braun, entonces director del Marshall Space Flight Center, miraba más lejos aún y planteó en 1969 una misión a Marte con una tripulación de 12 astronautas, que viajarían en dos cohetes, cada uno impulsado por tres motores NERVA. Detalló incluso que dicha misión se lanzaría en noviembre de 1981 y descendería en el planeta rojo en agosto de 1982. “Aunque emprender esta misión será un gran reto nacional, no es un reto mayor que el compromiso de 1961 de poner a un hombre en la Luna”, comentó el genio alemán. 

Una vieja idea

“Se utilizó energía nuclear en el espacio en satélites de EE. UU. y de la URSS desde 1961 hasta 1988, cuando la ONU recomendó no colocar mas sistemas nucleares en órbita terrestre, y ambos países lo cumplieron”, explica Miguel Belló-Mora, ingeniero aeronáutico y director del Atlantic International Research Centre (AIR Centre), con sede en Lisboa. “Eran, básicamente, reactores nucleares de fisión con uranio 235 y en 2001 todavía quedaban en órbita 33 sistemas rusos y uno estadounidense; los más numerosos, hasta 31, fueron los del programa RORSAT (Soviet Radar Ocean Reconnaissance Satellite Programme). En total, entre 1961 y 1988 se pusieron en órbita 1.600 kilos de material procedente del núcleo de los reactores y 1.000 kilos de combustible, sobre todo uranio y plutonio”, añade Belló-Mora.

“Los accidentes nucleares más importantes que generaron esos artefactos fueron el del Cosmos 954, al caer el 24 de enero de 1978 sobre Canadá y dejar una huella radiactiva de 2.000 kilómetros de largo, desde Fort Providence hasta Baker Lake, y el del Cosmos 1402, el 7 de febrero de 1983, que cayó sobre el Atlántico Sur. Por tanto, no podemos olvidar que estos sistemas pueden provocar accidentes y que estos accidentes pueden ser muy serios”, añade este experto. 

La propulsión nuclear eléctrica “utiliza un reactor para generar electricidad que carga gases propelentes como xenón o kriptón, acelerando iones a través de un propulsor que impulsa a la nave espacial” durante largos períodos de tiempo, explican los expertos de la NASA. La termonuclear proporciona mucho empuje y duplica la eficiencia de los cohetes químicos actuales. 

El sistema funciona bombeando un propelente líquido, presumiblemente hidrógeno, a través de un reactor en el que la fisión de átomos de uranio genera calor; de este modo, el propelente se convierte en un gas que se expande a través de una tobera para generar empuje. “El impulso específico de un cohete químico tradicional de hidrógeno y oxígeno líquidos es de 450 segundos, la mitad de la eficiencia que se pretende alcanzar, en principio, con los cohetes nucleares, 900 segundos”, señalan los expertos del DOE. “Esto se debe a que los gases más ligeros son más fáciles de acelerar. Los cohetes químicos producen vapor de agua, un subproducto mucho más pesado que el hidrógeno que se utiliza en la NTP, lo que se traduce en mayor eficiencia que permite a los cohetes viajar más lejos con menos combustible”.

“La NASA, en colaboración con el DOE, está desarrollando y probando nuevos combustibles que utilizan uranio poco enriquecido para aplicaciones espaciales con el objetivo de estudiar cómo funcionan en las condiciones térmicas extremas y entornos radiactivos de la propulsión termonuclear”, precisa la agencia espacial estadounidense. La utilización de uranio poco enriquecido aliviaría considerablemente los requisitos de seguridad de estos sistemas. “Los sistemas NEP no se utilizarían en ningún caso en el lanzamiento: las misiones partirían con cohetes químicos y se encenderían en el espacio”, puntualiza el DOE, atendiendo a uno de los requisitos clave de la seguridad de estos sistemas. 

De momento, EE. UU. está explorando tanto la opción NTP como la NEP para futuras misiones tripuladas a Marte, ya que cada tecnología tiene sus ventajas y sus retos. El reciente informe de las academias nacionales, sin embargo, se muestra más optimista respecto a las perspectivas de la NTP, aunque recalca los desafíos que tiene aún por delante, más allá de los que plantea el propio reactor, como calentar el propelente a la temperatura requerida de 2.700 K y hacerlo en muy poco tiempo. La alternativa NEP, por su parte, tiene que incrementar su capacidad mucho más allá de lo que se ha logrado hasta ahora para poder funcionar con rectores a nivel de megavatios. “No está claro si se lograría, incluso con un programa agresivo, desarrollar un sistema NEP viable en el plazo de 2039”, señala el informe. 

Mientras tanto, tanto Rusia como China han hecho públicas sus intenciones de avanzar en la propulsión espacial nuclear, aunque sin sacar a la luz muchos detalles. China anunció en 2017 su objetivo de tener, hacia 2040, transbordadores espaciales nucleares. Se utilizarán “fundamentalmente para viajes de larga distancia y exploración del espacio profundo; además, serían la piedra angular para las estaciones en Marte”, señaló entonces a Global Times Jiao Weixi, profesor de Ciencias Espaciales de la Universidad de Pekín. Según explicó, los transbordadores espaciales estarían en órbita y no descenderían a la Tierra o a otros planetas, reduciendo así el riesgo de una potencial contaminación radiactiva.

Por su parte, Rusia ha anunciado en 2021 que tiene previsto lanzar la primera misión de un módulo de transporte espacial nuclear, retomando su proyecto TEM (Módulo de Transporte y Energía), que hasta la fecha ha tenido sus altibajos. Se trata de combinar un reactor nuclear con un motor-cohete eléctrico. 

Usos militares Las instituciones de Defensa estadounidenses son parcas en información detallada sobre proyectos y planes, pero las perspectivas de la propulsión nuclear, tanto de aplicaciones defensivas como ofensivas, no se le escapan a nadie. Jim Bridestine, anterior director de la NASA, destacaba en 2019 “la utilidad de la propulsión termonuclear para aplicaciones más cercanas [que los viajes a Marte y más allá]; por ejemplo, el incremento de potencia permitiría a un artefacto espacial en órbita terrestre escapar de la línea de fuego de armas antisatélite”, según Space.com.

Otros expertos han destacado la utilidad que tendrían pequeños reactores de fisión para generar energía en bases militares remotas sin fácil acceso a la red de suministro. Y más específicamente en el capítulo de armamento. Rex Geveden, presidente de BWX Tecnologies Inc, comentó, en 2019, en una conferencia del Consejo Nacional Espacial (EE. UU.): “Por supuesto, cabe imaginar la utilización en combate de un reactor de gas a alta temperatura para alimentar un arma de energía dirigida, por ejemplo. EE. UU. está utilizando combustible diésel ahora, pero eso no es sostenible en una batalla”, según recoge Space.com

La velocidad y la maniobrabilidad de artefactos en el espacio que puede lograrse con la propulsión nuclear tiene múltiples aplicaciones, como desplazar con agilidad satélites en órbita o alcanzar rápidamente “artefactos espaciales sospechosos”, señalan los expertos estadounidenses en defensa espacial, por lo que las miradas están puestas en la defensa de satélites de alerta, de comunicaciones, de navegación y posicionamiento, etcétera, sin olvidar las aplicaciones ofensivas y, por supuesto, con la mirada puesta en lo que puede hacer China y con el objetivo de mantener la supremacía en capacidades espaciales tan íntimamente relacionadas con el liderazgo económico y militar.