Espacio
NASA SR-1 Freedom: Construyendo la primera nave espacial nuclear
Mover un objeto en el espacio consume mucha energía, incluso una vez que una nave espacial ha escapado del pozo gravitatorio de un planeta. Esto se debe en parte a que la distancia entre los objetos celestes es tan enorme.
Por ejemplo, si la distancia de la Luna a la Tierra fuera solo 0,25 metros, la distancia entre Marte y la Tierra sería de 500 metros, y a Neptuno 30.000 metros.
Así, cuanto más pesada sea la nave espacial, más energía se necesita para mover esa masa a una velocidad suficiente para cruzar esta enorme distancia. Y luego se requiere la misma energía nuevamente para desacelerar.
Otra limitación de la exploración del espacio profundo y del vuelo interplanetario es que, para crear propulsión, se necesita expulsar masa. Pero cuanto más combustible, más peso muerto, lo que requiere más energía para la propulsión. Por lo tanto, para una fuerte aceleración, el combustible expulsado debe ser impulsado a una velocidad muy alta, creando un mayor impulso, y la fuente de energía debe ser lo más densa posible.
Por todas estas razones, la idea de usar energía nuclear para los viajes espaciales es tan antigua como el inicio de la generación de energía nuclear, ya que el uranio es uno de los “combustibles” más densos imaginables, con un kilo de uranio que puede generar potencialmente hasta 23 millones de kWh, comparado con 13 kWh para 1 kg de petróleo y 7 kWh para 1 kg de carbón.
Fuente: Visual Capitalist
Sin embargo, ninguno de los diseños imaginados para la propulsión de viajes espaciales se ha utilizado hasta ahora. El único uso relativamente común de la energía nuclear son los generadores radiotérmicos, que emplean la desintegración pasiva de elementos radiactivos con una vida media relativamente corta para alimentar rovers y sondas en el espacio profundo durante años o incluso décadas.
Esto podría cambiar muy pronto, con un reactor espacial llamado SR-1 Freedom, donde SR significa “Space Reactor”.
Este sistema de propulsión nuclear eléctrica podría desplegarse ya en 2028. Se utilizará para llevar a Marte la carga útil Skyfall, compuesta por tres helicópteros de clase Ingenuity. Se usará principalmente para demostrar la tecnología, pero con el tamaño planificado no será significativamente más rápido que una sonda convencional.
“Los helicópteros Skyfall llevarán cámaras y radar de penetración terrestre para explorar un futuro sitio de aterrizaje y comprender las pendientes y peligros para aterrizadores a escala humana. También mapearán y caracterizarán el hielo de agua subterráneo para descubrir dónde se encuentran los depósitos de hielo, así como su tamaño, profundidad y otras características importantes.”
Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA
Esto forma parte de una reestructuración más amplia de los programas de la NASA, que incluye la probable cancelación completa de la estación espacial Lunar Gateway, la reorganización de la misión Artemis y una expansión más ambiciosa para la futura base lunar, justo después del exitoso lanzamiento de Artemis II, que llevará por primera vez en más de 50 años a astronautas a la órbita de la Luna.
Los muchos tipos de propulsión nuclear espacial
Propulsión nuclear eléctrica
El sistema de propulsión nuclear del SR-1 Freedom es nuclear eléctrico, por lo que primero utiliza un reactor nuclear para producir electricidad, y esa energía se emplea luego para generar empuje mediante los motores de la nave espacial.
Para convertir la electricidad en empuje, y por lo tanto en movimiento útil, el método más utilizado, y el que emplea el SR-1 Freedom, son los propulsores iónicos. En el caso de los propulsores de efecto Hall del SR-1.
Estos propulsores ionizan un gas con electricidad, esencialmente “cargando” de energía el gas utilizado como combustible, generalmente xenón o criptón. Estos reactores tienen una eficiencia muy alta del 45‑60 % y un impulso específico elevado, lo que significa que se necesita menos masa de combustible para el mismo efecto de propulsión.
Sin embargo, los propulsores iónicos son relativamente débiles individualmente, por lo que son más adecuados para viajes de larga distancia, donde una aceleración lenta y constante puede acumularse hasta alcanzar altas velocidades.
Hasta ahora, los propulsores iónicos se han utilizado, pero están limitados por la energía proporcionada por los paneles solares de la sonda. Con una fuente de energía nuclear, se puede generar mucho más empuje y aceleración.
Sin duda, esta es la versión más madura de la propulsión nuclear, ya que tanto la generación de energía nuclear como los propulsores iónicos son tecnologías bien dominadas. Por lo tanto, solo es una cuestión de diseño e ingeniería hacer que funcionen juntos, de ahí el corto plazo para el despliegue del SR-1.
Propulsión nuclear térmica
Los reactores nucleares generan energía convirtiendo la radiactividad en calor y luego transformando ese calor en electricidad.
Así, este método de propulsión elimina el intermediario y utiliza directamente el calor. La idea es usar energía nuclear para sobrecalentar un combustible, generalmente hidrógeno líquido, y propulsar el gas caliente para generar movimiento.
Esta idea podría, en teoría, generar una capacidad de propulsión masiva. En la práctica, requiere una gran cantidad de energía nuclear de una sola vez y mucho combustible, lo que significa que es aplicable principalmente a naves espaciales masivas, mucho más grandes que las sondas interplanetarias habituales o incluso un cohete superpesado como el Starship.
Otros sistemas de propulsión nuclear
La densidad energética de la energía nuclear ha generado conceptos potenciales aún más audaces.
Por ejemplo, Project Orion, discutido seriamente en los años 1950 y 1960, estuvo en el corazón de la Guerra Fría. Imaginaba una serie de explosiones nucleares como medio principal de propulsión, con la nave espacial protegida de la radiación y los daños por un escudo masivo, un concepto conocido como propulsión por pulsos nucleares.
Otras ideas, como los cohetes de fragmentos de fisión o los cohetes de reactor de núcleo gaseoso, consideran expulsar el propio combustible nuclear como material propulsor.
Sin embargo, estas ideas son más teóricas que prácticas en la mayoría de los casos, en gran parte porque la escala de las naves que requerirían está simplemente fuera de alcance en el futuro previsible.
¿Por qué la propulsión nuclear no ha ocurrido todavía?
Geopolítica
En parte, la razón por la que la propulsión nuclear nunca se materializó es que simplemente no se necesitaba. Después de los múltiples alunizajes, la carrera espacial entre la URSS y EE. UU. se enfrió.
Y con el colapso de la URSS, la ambición de naves cada vez más grandes o bases fuera del planeta se desvaneció durante varias décadas.
Para la exploración lejos del Sol, los generadores radiotérmicos fueron suficientes. Así que la propulsión nuclear simplemente no es requerida para vuelos tripulados, más allá de la EEI, y para enviar pequeñas sondas a Marte o más profundo en el espacio.
Sin embargo, el ascenso de China como una potencia espacial muy seria ha desencadenado una nueva carrera espacial hacia la Luna y Marte. Esto podría explicar el renacimiento de los proyectos estadounidenses de propulsión nuclear, ya que probablemente será necesaria para cualquier vuelo tripulado serio a Marte o más allá.
Política e imagen nuclear
La imagen de la energía nuclear también ha sido dañada por accidentes como Chernóbil y Fukushima, lo que lleva a que la idea de enviar un reactor nuclear al espacio, de cualquier tamaño, sea impopular. Sin un fuerte apoyo político, estos programas no tuvieron el impulso necesario para pasar de prototipos y pruebas a naves espaciales reales.
Además, el Tratado del Espacio Exterior de 1967 y el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas de 1963 eliminaron conceptos de propulsión nuclear como el Project Orion.
Por último, lanzar material al espacio siempre es un proyecto arriesgado, con cohetes que pueden fallar y explotar en su camino a la órbita.
En tal caso, el material radiactivo podría dispersarse sobre una amplia zona, y aunque la cantidad real sea mínima, el desastre asociado a la POR hizo que la NASA fuera reacia a asumir el riesgo sin un fuerte impulso del liderazgo político estadounidense.
Problemas técnicos
Los reactores nucleares, especialmente entre los años 1950 y 1990, solían ser piezas masivas de equipamiento. Este tipo de reactor nuclear es bastante difícil, o incluso imposible, de usar en el espacio, donde cada gramo cuenta. El peso adicional del blindaje contra la radiación del reactor añade más masa.
Esto no es tan cierto en la era de los SMR (reactores modulares pequeños) y los microreactores, pero estas tecnologías son un desarrollo relativamente nuevo.
La fragilización por neutrones que golpean los materiales circundantes puede causar grietas u otros daños en los materiales aeroespaciales. Por lo tanto, esto también necesitó ser mejor comprendido y mitigado.
Los cohetes nucleares térmicos también son vulnerables a la corrosión por hidrógeno, ya que el hidrógeno se vuelve extremadamente agresivo, erosionando el reactor y los componentes de propulsión a las temperaturas previstas de 2.200°C (4.000°F).
Diseño del SR-1 Freedom
Un reactor de potencia y muchos primeros
El SR-1 Freedom se basará en un reactor de fisión de ciclo Brayton cerrado de 20‑40 kWe closed Brayton cycle fission reactor, un diseño que combina una fuente de calor nuclear con un sistema de conversión de energía de turbina de gas en un circuito sellado. El calor residual se evacua al espacio a través de grandes radiadores de titanio.
Fuente: CNET
El reactor será alimentado con uranio bajo enriquecimiento de alto ensayo (HALEU), usando combustible de dióxido de uranio, que es más seguro de manejar que el combustible de grado militar.
Para proteger la electrónica (y a futuros astronautas) de la radiación del reactor, está encapsulado en un escudo de carburo de boro que dirige la radiación lejos de la nave espacial.
El SR-1 no es, de lejos, el primer prototipo o concepto de propulsión nuclear, pero será el primero que salga del laboratorio y alcance el espacio, construido sobre décadas de experiencia e inversión en el campo.
“Durante seis décadas, Estados Unidos invirtió más de 20 mil millones de dólares en decenas de programas nucleares espaciales y lanzó exactamente un reactor — SNAP‑10A, en 1965. Nunca salió de órbita. Miles de millones gastados, décadas perdidas. SR‑1 rompe ese patrón. Una ventana de lanzamiento a Marte en diciembre de 2028 obliga a decisiones que décadas de estudio nunca tomaron.”
Reutilización de módulos de Lunar Gateway
Otro elemento que explica cómo es posible el despliegue ultrarrápido del SR-1 es que la parte del propulsor iónico de la nave está lista.
El sistema de propulsión utilizado será el bus espacial, casi construido, desarrollado por la NASA, el Power and Propulsion Element (PPE), inicialmente desarrollado para el Lunar Gateway.
Como la estación espacial lunar aparentemente está siendo descartada, sus elementos, mayormente construidos por socios de la NASA en Europa, Japón, Corea del Sur, Canadá y otros, serán reutilizados en proyectos como el SR-1, alineándose mejor con las nuevas ambiciones espaciales de la NASA y EE. UU.
“Cada activo, cada kilogramo, todos los recursos de exploración lunar que tenemos se van a centrar en una cosa, y es construir la base lunar,”
Carlos Garcia-Galan – deputy manager for the Gateway Program
El PPE está equipado con cuatro propulsores de efecto Hall de 6 kW fabricados por Busek y tres propulsores Hall de 12 kW del Advanced Electric Propulsion System desarrollados por la NASA y Aerojet Rocketdyne, una subsidiaria de L3Harris (LHX ).
Los paneles solares de alto rendimiento del PPE también se mantendrán, en caso de que el reactor nuclear experimental necesite mantenimiento o tenga algún problema.
Más allá del SR-1
Hacia más energía nuclear en el espacio
El objetivo del SR-1 es proporcionar una prueba real del diseño del reactor nuclear, tanto para propulsión como para otros usos.
Así, probablemente se usará algún día para un vuelo tripulado a Marte, pero también tendrá aplicaciones más inmediatas.
Por ejemplo, los datos recopilados del vuelo del SR-1 Freedom a Marte serán importantes para el desarrollo del Lunar Reactor-1 (LR-1).
“En la década de 2030, escalaremos y pasaremos a la producción de más reactores. Estamos hablando de reactores de cientos de kilovatios a clase megavatio para todas las aplicaciones nucleares. Misiones de mayor potencia a la Luna, misiones humanas a Marte, con participación comercial y producción repetible.”
Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA
Este reactor de fisión será diseñado para proporcionar energía continua a una base lunar durante períodos sin luz solar, y también utilizará una unidad de conversión de energía de ciclo Brayton cerrado.
“El programa de energía superficial de fisión está programado para entregar algo en la fase tres para mayor capacidad, y tal vez más de una cosa, para la capacidad que esperamos necesitemos para la base lunar. Cualquier cosa que podamos hacer para no depender necesariamente de la energía solar y permitir que los activos reciban calefacción y quizá algo de energía será oro para nuestra capacidad de avanzar.”
Carlos Garcia-Galan – deputy manager for the Gateway Program
Sin embargo, a largo plazo, el legado más importante del SR-1 probablemente será la posibilidad de vuelos nucleares tripulados a Marte, tomando 4 meses o incluso menos, comparado con los 9 meses o más posibles con cohetes químicos.
Sistemas futuros de propulsión nuclear
Inicialmente planeado para 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), un motor de cohete térmico, fue cancelado en 2025, ya que se consideró que cohetes como el Starship de SpaceX son suficientemente buenos para viajes orbitales y cis-lunares.
Sin embargo, esta tecnología podría potencialmente reducir a la mitad el tiempo de viaje a Marte, similar al posible legado del SR-1.
A largo plazo, si la propulsión nuclear eléctrica se normaliza, otras formas de propulsión nuclear podrían volverse viables también.
Otra posibilidad es que los sistemas de propulsión tipo SR-1 se instalen en una nave de carga, capaz de ir y venir a la Luna o Marte y acelerar otras naves espaciales, necesitando solo el reabastecimiento ocasional de propulsor gaseoso o combustible radiactivo. De esta manera, el mismo sistema podría proporcionar propulsión para decenas de misiones de espacio profundo.
En ese concepto, la propulsión nuclear eléctrica o térmica podría lograr para la exploración del espacio profundo lo que SpaceX hizo para los lanzamientos orbitales: crear naves reutilizables y de larga duración que tanto reducen costos como hacen los viajes espaciales mucho más eficientes, permitiendo mover masas de carga mucho mayores.
Invertir en SR-12 Freedom
L3Harris
(LHX )
L3Harris es un importante proveedor aeroespacial y empresa de defensa, resultado de la fusión de L3 Technologies y Harris Corporation en 2019.
La compañía no solo está proporcionando los propulsores de efecto Hall para el SR-1, sino que también está directamente involucrada en el desarrollo del programa de energía superficial de fisión, que entregará energía nuclear a la futura base lunar estadounidense.
“La propulsión nuclear puede alimentar la exploración a los confines más lejanos del sistema solar y más allá, mejorar la seguridad nacional y permitir descubrimientos revolucionarios. La maniobrabilidad en el espacio ha sido durante mucho tiempo un factor limitante para la exploración robótica más ambiciosa y otras aplicaciones gubernamentales únicas, y L3Harris está comprometida a eliminar esa restricción.”
Kristin Houston, President, Space Propulsion and Power Systems, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.
Su sistema de propulsión eléctrica también fue utilizado por la misión Dawn de la NASA hacia los asteroides del cinturón principal Ceres y Vesta.
La compañía también está explorando la Propulsión Nuclear Térmica (NTP), basándose en su nueva experiencia con la propulsión nuclear eléctrica y su experiencia mucho más consolidada con los generadores termoeléctricos de radioisótopos, ya que proporcionó la fuente de energía tanto para el rover Curiosity como para el rover Perseverance de Marte.
Sin embargo, el espacio es solo un segmento de la actividad de la empresa.
Su negocio principal consiste en proporcionar al ejército de EE. UU. y a sus aliados comunicaciones seguras (la mitad del mercado global de radio táctica), centros de mando, planes de radar y comunicación, guerra electrónica, satélites para detección de lanzamientos de misiles, etc.
Aerodyne, la empresa que suministra al SR-1 sus sistemas de propulsión, también es un importante productor de misiles, incluyendo municiones para sistemas de defensa contra misiles, cuyo inventario ha sido puesto bajo gran presión por las guerras en Ucrania e Irán.
En general, el crecimiento planificado del presupuesto militar de EE. UU. de 1 billón a 1,5 billones probablemente impulsará a todos los inversores del sector defensa, especialmente porque la guerra en Ucrania ha agotado el inventario y la guerra con Irán ha revelado la necesidad de más municiones y defensa contra misiles.
Es esta última revelación de la evolución en la estrategia militar la que podría beneficiar más a L3Harris. Si Ucrania reveló la importancia de los drones y la guerra electrónica, el conflicto con Irán destacó la importancia de las defensas contra misiles. Y más que nada, la importancia de un amplio inventario de misiles interceptores, ya que cada misil entrante consume 2‑3 interceptores.
Además, la renovada ambición de la NASA también debería beneficiar a la compañía como proveedor principal de propulsores iónicos y energía nuclear espacial.
(Puedes leer más sobre las actividades aeroespaciales y de defensa de L3Harris en nuestro informe de inversión dedicado a la compañía.)
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