¿Son los motores de propulsión nuclear el camino a seguir para la exploración espacial?

El problema con el uso de reactores de fisión nuclear como medio de energía para propulsar naves espaciales es doble: nuestra propia aversión a cualquier cosa nuclear debido a los peligros ambientales y el problema de la masa de reacción que aún persiste, independientemente de la longevidad de la fuente de energía y la densidad de potencia por su propia masa. Expliquemos un poco más estos puntos.

El problema de la masa de reacción proviene del hecho de que no hay nada contra lo que impulsarse en el vacío del espacio, a menos que traiga alguna masa de reacción que podría ser expulsada a altas velocidades y dar como resultado un empuje, una transferencia de impulso cinético de empuje igual a masa. caudal de escape por velocidad de escape:

$$T = {dm \over{dt}}*v$$

Entonces, si bien su reactor nuclear podría ser perfectamente capaz de tener una gran densidad de energía por su masa, aún tendría que tener algo de masa consumible que pueda energizar y aumentar este estado de excitación de masa para reducir en gran medida su densidad (sobrecalentamiento, química reacción, etc.), o ser capaz de acelerarlo en la dirección opuesta a su vector de viaje (por ejemplo, propulsores de iones, productos de fisión nuclear caliente directa, etc.), y luego expulsarlo en la tobera de su motor de cohete, lo que resulta en la aceleración de su nave espacial en la dirección opuesta.

Por lo tanto, algunos cohetes de propulsión nuclear propuestos llevarían una masa de reacción a bordo que es un consumible del motor del cohete o, alternativamente, utilizarían subproductos del combustible nuclear como su masa de reacción en un sistema de propulsión nuclear un poco más directo, como por ejemplo el cohete de fragmentos de fisión . Sin embargo, estos últimos alcanzan un impulso específico teóricamente bajo por tiempo, incluso si pueden operar durante mucho tiempo (impulso específico general alto).$I_{sp}$durante su vida útil total). Lo mismo ocurre con los propulsores de iones que, por supuesto, también podrían funcionar con energía nuclear y, de hecho, sus requisitos de energía eléctrica generalmente los proporciona un RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos) a bordo, aunque también pueden ser paneles solares, dependiendo de los parámetros de la misión como la proximidad al Sol, su duración, etc.

Otro problema con el uso de propulsión de energía nuclear directa es el diseño para las características de producción de calor de estos reactores. El intercambio de calor directo con otra masa que rodea la nave espacial simplemente no es posible en el vacío del espacio con una densidad de partículas que no es lo suficientemente alta, incluso en el vacío duro del sistema solar interior. Por lo tanto, se necesitarían enormes radiadores de calor para enfriar los líquidos responsables de enfriar el núcleo del reactor de fisión y disipar el calor solo a través de la radiación. Eso requeriría una enorme masa para ser transportada primero al espacio exterior, para que cualquier nave espacial use motores de cohetes de fragmentos de fisión (FFRE).

       

       ^{La nave espacial HOPE es un concepto de vehículo propulsado por un motor de cohete de fragmentos de fisión (FFRE) de la NASA (Fuente: NASA )}

Por lo tanto, como se explicó, la densidad de potencia de los generadores de energía nuclear no es realmente el único factor en la ecuación de propulsión de cohetes, y la simplicidad de las etapas de cohetes impulsados ​​por reacciones químicas que utilizan propulsores de componentes altamente reactivos sigue siendo, con mucho, el método preferido para lograr el empuje. Dado que este problema de masa de reacción persiste y aún tiene que llevarlo consigo, o el impulso específico resultante de los motores nucleares directos no es lo suficientemente alto para la mayoría de las aplicaciones de exploración espacial, y los generadores nucleares vienen con su propia masa no despreciable , todavía se prefiere el cohete químico, especialmente cuando se usa para lanzamientos de cohetes terrestres que conllevan riesgos adicionales si se usan motores de propulsión nuclear en su lugar.

Otro factor ya mencionado son, por supuesto, las preocupaciones ambientales. Ya se propusieron varios modos de propulsión que utilizan motores de propulsión nuclear para lograr sustentación, no solo un empuje lo suficientemente grande como para tener una aplicación en el espacio, sino también para lograr la capacidad de sustentación (empuje lo suficientemente grande por masa del lanzador para lograr un escape en la atmósfera y en gravedad). velocidad), sin embargo, todos se opusieron mucho y nunca vieron la luz del día, en realidad se materializaron más allá de los experimentos de laboratorio, los cálculos teóricos o tal vez algunos experimentos militares de alto secreto. Se realizaron algunos de estos experimentos que son de conocimiento público, por ejemplo, el proyecto de la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial (SNPO), un programa conjunto de la Comisión de Energía Atómica de EE. UU. y la NASA, llamado NERVA (motor nuclear para aplicaciones de vehículos cohete):

   

     ^{1 de diciembre de 1967: El primer conjunto de motor de cohete nuclear (XE) experimental en tierra se muestra aquí en configuración de "flujo frío",
     mientras llega tarde por la noche al banco de pruebas de motores n. ° 1 en la estación de desarrollo de cohetes nucleares, en Jackass Flats , Nevada.
     (Fuente: Wikipedia sobre Cohete térmico nuclear )}

Entonces TL; DR : el problema de la masa de reacción sobre la masa total del lanzador aún persiste, y los motores de cohetes de fragmentos de fisión nuclear directa no logran el empuje requerido para alcanzar la velocidad de escape. Tampoco hace particularmente felices a los ecologistas.

Respuesta corta: sí.

Respuesta media: los Estados Unidos desarrollaron tecnología de motores de cohetes nucleares hasta el punto de que en 1969 el único obstáculo que quedaba para el estado de vuelo completo era una misión a corto plazo para que se aplicara el motor de cohetes. Dado que el gasto para la exploración del espacio profundo comenzó a ser recortado por el Congreso en 1967, y la administración de Nixon redujo los futuros proyectos de vuelos espaciales tripulados de la NASA a solo el transbordador espacial, no hubo misión y, por lo tanto, no hubo necesidad del programa de motores de cohetes nucleares.

Respuesta larga:

A menudo se ha dicho que llegar a la Órbita Terrestre Baja está a medio camino de cualquier lugar; en otras palabras, llegar a la órbita terrestre baja es la mitad del esfuerzo necesario para llegar a cualquier lugar que nos interese en el Sistema Solar. Por otro lado, Low Earth Orbit está solo a mitad de camino, lo que deja la otra mitad. La tecnología de motores de cohetes nucleares alivia enormemente el esfuerzo necesario para esa otra mitad, con un rendimiento que duplica la eficiencia del mejor motor de cohetes químicos disponible.

La tecnología de motores de cohetes para alcanzar la órbita es muy conocida y está muy madura. Los límites principales de esa tecnología hoy en día son la reducción de costos, de los cuales SpaceX está a la cabeza. Para hacerlo, SpaceX utiliza motores de cohetes de combustible líquido de oxígeno + queroseno para sus vehículos de lanzamiento de dos etapas Falcon 1 y Falcon 9, y para el vehículo de lanzamiento Falcon Heavy propuesto.

Aunque ese tipo de motor es muy bueno para lograr misiones de órbita terrestre baja, la eficiencia media de ese motor (ISP de vacío de 330 segundos) reduce enormemente la carga útil para misiones espaciales más profundas. Por ejemplo, aunque la carga útil de 53 toneladas a la órbita baja del Falcon Heavy propuesto inunda la carga útil de 27 toneladas del Delta IV Heavy en más del 95%, el Falcon Heavy cae a solo 21 toneladas a la órbita de transferencia geosincrónica mientras que el Delta IV Heavy cae a 13 toneladas (sólo un 62% de ventaja). Esto se debe a que la etapa superior del Delta IV utiliza un motor de cohete líquido de oxígeno + hidrógeno de casi la mayor eficiencia posible para un cohete químico, un ISP de 465 segundos.

Para enviar naves espaciales tripuladas a la luna y más allá y hacer que regresen a la Tierra usando solo motores de cohetes químicos, se requieren cohetes de tamaño titánico incluso para enviar naves espaciales muy pequeñas. De hecho, es tan difícil usar cohetes químicos que el respetado escritor de ciencia/ciencia ficción Arthur C. Clarke pensó en la década de 1950 que aterrizar en la luna solo ocurriría después de la introducción de la tecnología de motores de cohetes nucleares.

Ver el libro "Vuelo interplanetario: una introducción a la astronáutica". Es un libro antiguo, pero sigue siendo relevante hoy en día. También recomiendo el libro "Hasta el final del sistema solar: la historia del cohete nuclear". Ese libro fue una verdadera revelación.