¿Sería posible desarrollar naves espaciales de propulsión nuclear en un futuro cercano para la exploración del espacio profundo y cómo podría hacerse esto?

Answer 1

Un laboratorio nacional del Departamento de Energía publicó recientemente algunos comunicados de prensa sobre su propuesta de una fuente de energía de fisión para misiones espaciales. Esto es muy oportuno, porque las reservas actuales de Plutonio adecuado para fuentes de energía nuclear sin fisión (batería, RTG) se están agotando y la NASA se ha reenfocado en misiones de exploración.

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Este concepto tiene perspectivas a corto plazo tanto para el espacio cercano como para el espacio profundo. La tecnología se entiende muy bien, pero una barrera importante son los problemas políticos y de seguridad con el uso de uranio altamente enriquecido necesarios para iniciar una reacción en cadena en un dispositivo tan pequeño. Esto normalmente no se permitiría debido a problemas de proliferación nuclear, pero si se carga a bordo de una sonda que viaja fuera de la órbita de la Tierra para llevarlo allí de manera segura, es la única preocupación relevante para la seguridad humana.

Tenga en cuenta que el rover Curiosity Mars obtiene aproximadamente 100 vatios de potencia de su fuente de calor nuclear, no fisionable. Este es un presupuesto de energía restrictivo, pero es mejor que lo que obtendría de la energía solar. Una fuente de energía de fisión podría proporcionar aún más, pero estaría limitada por la capacidad de eliminación de calor. Las misiones espaciales a menudo dependen de tubos de calor especiales que sacrifican cierta capacidad de eliminación de calor para una confiabilidad extrema. El tamaño del radiador también es una restricción. La capacidad de eliminación de calor limitará la potencia de diseño para aplicaciones espaciales a corto plazo a la escala de 100s de vatios o unos pocos kW (un hogar estadounidense promedio usa en promedio aproximadamente 2 kW). Estos reactores espaciales de fisión se consideran seriamente para las misiones de la Luna y Marte, así como para las sondas. Además, el desarrollo del espacio privado podría crear una demanda adicional.

Puede convertir una fuente de energía en una fuente de propulsión. Como se describe en otras respuestas, esto generalmente implica calentar y expulsar gas hidrógeno. Se prefiere el hidrógeno porque es ligero, y a la misma temperatura los gases más ligeros tienen velocidades más altas. La velocidad a la que expulsa el propelente afecta la cantidad de empuje que obtiene por masa de propelente (impulso específico). Esta métrica luego afecta qué tan lejos y qué tan barato puede obtener lugares. Alternativamente, la fuente de energía podría alimentar un motor de iones que tiene un impulso específico muy alto

Ninguna fuente de energía nuclear “normal” podría producir una aceleración comparable a una gravedad terrestre. Esto significa que no puede usarlo para asentir en órbita. La razón es la termodinámica. Tenemos experiencia con reactores nucleares de combustible sólido, y estos están fundamentalmente limitados en transferencia de calor y temperatura. Eso limita la relación de empuje a peso para que tal diseño nunca pueda despegar por sí solo. Orion es un concepto único que permite una relación muy alta de empuje a peso sin derretir el cohete al detonar explosiones fuera del cohete. Cualquier enfoque nuclear más allá de los reactores de combustible sólido requerirá una escala de investigación y desarrollo completamente diferente.

Si bien muchos detalles no están finalizados, es extremadamente probable que veamos reactores nucleares de fisión para aplicaciones espaciales como la que se describe en el enlace anterior dentro de 20 años.

Answer 2

La NASA desarrolló cohetes nucleares en los años 70. Eran de alto rendimiento incluso para los estándares actuales, desarrollando más capacidad de empuje y peso para la carga útil que los cohetes químicos.

http://en.wikipedia.org/wiki/Nuc …

“En un cohete térmico nuclear, un fluido de trabajo, generalmente hidrógeno líquido, se calienta a alta temperatura en un reactor nuclear, y luego se expande a través de una boquilla de cohete para crear empuje. En este tipo de cohete térmico, la energía del reactor nuclear reemplaza al químico energía de los químicos reactivos del propulsor en un cohete químico. Debido a la mayor densidad de energía del combustible nuclear en comparación con los combustibles químicos, aproximadamente 107 veces, la eficiencia del propulsor resultante (velocidad de escape efectiva) del motor es al menos dos veces mejor que el químico motores. La masa total de despegue bruta de un cohete nuclear es aproximadamente la mitad que la de un cohete químico y, por lo tanto, cuando se usa como una etapa superior, duplica o triplica la carga útil llevada a la órbita “.

Muchos, incluido yo, creen que es necesario rescatar todos los recursos y la ciencia de estos programas de desarrollo temprano y aplicarlos a nuestras necesidades actuales. Las centrales nucleares podrían configurarse bimodalmente para proporcionar empuje y mucha electricidad. Podrían diseñarse, si fuera conveniente, para usar diferentes tipos de combustible … masa de reacción … incluyendo agua, metano, hidrógeno y otros que se encuentran alrededor del sistema solar. Esencialmente, estaciones de servicio en todas partes.

No hace falta mucha imaginación para darse cuenta de que los cohetes nucleares podrían empujar más equipos a Marte … más rápido … y cuando llegues allí tendrías más electricidad para mantener la vida que cualquier otra propuesta.

El motor de cohete nuclear NERVA
El motor de cohete nuclear de Estados Unidos, NERVA, tiene 25 pies de altura.
El reactor está en el medio y los tanques de combustible en la parte superior.

Cohete termal nuclear bimodal

“Los cohetes termales nucleares bimodales llevan a cabo reacciones de fisión nuclear similares a las empleadas de forma segura en las centrales nucleares, incluidos los submarinos. La energía se utiliza para calentar el propulsor de hidrógeno líquido. Los defensores de las naves espaciales de propulsión nuclear señalan que en el momento del lanzamiento, casi no hay Los cohetes de propulsión nuclear no se utilizan para despegar de la Tierra. Los cohetes térmicos nucleares pueden proporcionar grandes ventajas de rendimiento en comparación con los sistemas de propulsión química. Las fuentes de energía nuclear también podrían utilizarse para proporcionar energía eléctrica a la nave espacial. operaciones e instrumentación científica “.

http://www.nasa.gov/centers/glen …

Se estaban desarrollando para el Saturno V. Iba a reemplazar el J2 en la tercera etapa SVIB, pero el programa Apollo terminó temprano y la necesidad de un vehículo pesado terminó con él.

También fue durante el apogeo del movimiento antinuclear y hubo una gran preocupación acerca de que explotara como un arma nuclear. Claramente, eso no era una preocupación legítima, pero si explotaba, podría, en la peor de las circunstancias, parecerse a una bomba sucia. Ahora tenemos experiencia que nos dice que el reactor sin duda sobreviviría a una falla catastrófica, aunque el escape podría ser levemente radiactivo, por eso sus usos se mantienen mejor en el espacio.

Estas dos cosas mataron el proyecto y sus instalaciones se están oxidando en el desierto. La NASA se puso a trabajar en el diseño del transbordador espacial, que originalmente tenía un refuerzo reutilizable que fue pilotado de regreso al Cabo. Esa configuración fue probablemente mejor usando propulsión convencional.

Este tipo de cohete es muy conocido en los círculos de tecnología espacial y es uno de los principales candidatos para el desarrollo en este momento. No creo que nadie esté abogando por usarlo para salir de la Tierra en este momento, pero en espacios abiertos es realmente la tecnología que tenemos la que resuelve la mayoría de los problemas.

Pero … todavía existe el estigma de poner algo nuclear en el espacio. Hay problemas legales y de tratados. Los opositores estúpidamente, casi sin remedio, combinan las armas nucleares con la generación de energía nuclear. Mencione poner un reactor como los que han estado funcionando casi sin fallas durante décadas en submarinos nucleares en la Luna y obtendrá una avalancha de argumentos y acusaciones de por qué no deberíamos hacerlo. El poder es vida en el espacio … con suficiente poder puedes resolver cualquier problema.

Cuando encontramos agua en todas partes, buscamos todos los recursos que necesitamos para vivir en cualquier lugar.

Todo lo que necesitamos para convertir esa agua en aire para respirar, combustible para quemar y campos magnéticos para protección contra la radiación es mucha potencia absolutamente confiable. Nuclear es esa fuente de energía. Es por eso que todas las sondas del espacio profundo están alimentadas por algún tipo de energía nuclear … es por eso que Curiosity está utilizando energía nuclear sobre las células solares. La energía solar fue el factor limitante en todo lo que hicieron los rovers Spirit y Opportunity. Simplemente no es lo suficientemente confiable.

La desventaja es que nos estamos quedando sin combustible para ese tipo particular de reactor. [sí, sé la diferencia entre un RTG y un reactor]

Entonces … la respuesta es que escuchará más sobre esta tecnología y seguramente será el cohete y la fuente de energía de elección cuando sobrevivir y prosperar es la prioridad número uno. Es la tecnología que mejor conocemos ahora … sufre un problema humano.

Answer 3

Si bien un motor de reacción basado en un diseño de lecho de cantos rodados podría ser mucho más simple que otros tipos, los diseños de reactores nucleares de núcleo gaseoso para naves espaciales con propulsión nuclear continúan tentando a los ingenieros (2013). La NASA, por ejemplo, después de un largo paréntesis que comenzó a principios de la década de 1970, comenzó a trabajar en motores de cohetes térmicos nucleares nuevamente en su Centro de Investigación Glenn en 2011 (aunque no estoy claro si su demostración de tecnología de “Etapa de propulsión criogénica nuclear” implica una gaseosa -cohete nuclear tipo cohete). A continuación se muestra un resumen pegado de un reciente artículo de Corea del Sur por Nam et al. (2015) delineando una propuesta interesante:

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Aunque el duro entorno espacial impone muchos desafíos severos a los pioneros del espacio, la exploración espacial es un objetivo realista y rentable para la supervivencia de la humanidad a largo plazo. Una de las opciones viables y prometedoras para superar el duro entorno del espacio es la propulsión nuclear . En particular, el Cohete Térmico Nuclear (NTR) es un candidato líder para misiones humanas a corto plazo en Marte y más allá debido a su empuje y eficiencia relativamente altos. Los diseños tradicionales de NTR usan reactores típicamente de alta potencia con espectros de neutrones rápidos o epitermales para simplificar el diseño del núcleo y maximizar el empuje. Paralelamente, hay una serie de nuevos diseños NTR con menor empuje y mayor eficiencia, diseñados para mejorar la versatilidad y seguridad de la misión mediante el uso de motores redundantes (cuando se utilizan en una disposición de motores agrupados) para su futura comercialización. Este documento propone un nuevo diseño NTR de la segunda filosofía de diseño, Corea Advanced NUclear Thermal Engine Rocket (KANUTER), para futuras aplicaciones espaciales. El KANUTER consiste en un Reactor refrigerado por gas de temperatura extremadamente alta (EHTGR) que utiliza propulsor de hidrógeno, un sistema de propulsión y un sistema opcional de generación de electricidad para proporcionar propulsión y generación de electricidad. El innovador motor pequeño tiene las características de alta eficiencia, siendo compacto y liviano, y capacidad bimodal. Las características notables resultan del diseño moderado de EHTGR, que utiliza de manera única el elemento de combustible integrado con un carburo de combustible ultra resistente al calor, un eficiente moderador de hidruro metálico, canales de enfriamiento de protección y un tubo de presión individual en un paquete todo en uno. El EHTGR puede funcionar de manera bimodal en un modo de propulsión de 100 MW y un modo de generación de electricidad de 100 kWth, equipado con un sistema dinámico de conversión de energía. Para investigar las características de diseño del nuevo reactor y estimar el rendimiento referencial del motor, se llevó a cabo un estudio de diseño preliminar en términos de neutrónica y termohidráulica. El resultado indica que el diseño innovador tiene un gran potencial para la alta eficiencia del propulsor y la relación empuje / peso del motor, en comparación con los diseños NTR existentes. Sin embargo, la acumulación de productos de fisión en el combustible tiene un impacto significativo en la operación bimodal del reactor moderado , como el tiempo muerto inducido por xenón. Este problema se puede superar creando un exceso de reactividad y margen de control para el diseño del reactor .

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Referencias

Nam, SH, Venneri, P, Kim, Y, Lee, JI, Chang, SH y Jeong, YH 2015, ‘Concepto innovador para un cohete térmico nuclear ultra pequeño que utiliza un nuevo reactor moderado’, Ingeniería y Tecnología Nuclear , vol. . 47, no. 6, págs. 678-699.

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‘Propulsión térmica nuclear: logros pasados, esfuerzos actuales y una mirada hacia el futuro’, 2013, Journal of Aerospace Engineering , vol. 26, no. 2, págs. 334-342.

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Cohetes nucleares de reactor de núcleo gaseoso térmico

Answer 4

Es importante distinguir entre la propulsión nuclear (donde una reacción nuclear es la fuerza motriz de la nave espacial) y los vehículos que usan energía nuclear para proporcionar electricidad a sus sistemas a bordo.

La propulsión nuclear nunca se ha probado, aunque se han realizado estudios exhaustivos sobre ella ( http://en.wikipedia.org/wiki/Pro … Básicamente, se coloca la nave espacial en el extremo de un pogo-palo como un amortiguador, y Detonar bombas atómicas detrás de él. Este es el método de propulsión más poderoso disponible con la tecnología actual, pero por razones obvias nadie se ha atrevido a probarlo.

La energía nuclear se ha utilizado con frecuencia para generar electricidad en sondas de espacio profundo estadounidenses y aterrizadores planetarios, incluidos Voyager, Viking, Galileo y Cassini. El dispositivo se llama generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG). [http://en.wikipedia.org/wiki/Rad… y no es una batería en el sentido convencional. Más bien, es un gran bulto de plutonio radiactivo (u otros elementos) con una vida media de varias décadas, lo suficientemente corto como para hacer que el material brille al rojo vivo por la desintegración radiactiva interna, pero lo suficientemente largo para que no se derrita y permanezca usablemente caliente por muchos años.

La nave espacial aprovecha la diferencia de temperatura entre el bulto caliente de plutonio y el espacio ambiental para generar energía eléctrica. Para aterrizadores de superficie o misiones lejos del sol (donde los paneles solares no recolectarán suficiente energía) esta es la única fuente de energía práctica.

También sería posible alimentar una nave espacial con un reactor nuclear real, similar al que se usa en un submarino nuclear, pero un RTG es mucho más ligero y su extrema simplicidad lo hace perfecto para misiones de espacio profundo de larga duración.