¿Qué impulsa a las naves espaciales a los planetas exteriores y más allá?

La mayoría de las naves espaciales, incluidos los satélites y algunos módulos de aterrizaje en Marte, dependen de paneles solares, pero para salidas difíciles y complejas como el Mars Curiosidad rover y vuelos extremadamente largos como el que acaba de tomar Nuevos horizontes por Plutón y sus lunas, solo la energía extraída de fuentes radiactivas puede proporcionar suficiente empuje.

Representación de un artista de la nave que acaba de pasar por Plutón.

La NASA utiliza generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), una combinación inteligente de material que una vez se extrajo de los subproductos de las armas nucleares y una técnica de 200 años de antigüedad para convertir las diferencias de temperatura en electricidad. Los RTG comenzaron a impulsar las misiones de la NASA en 1969.

Cómo funciona

Un RTG aprovecha el calor generado por la descomposición radiactiva del dióxido de plutonio-238, que se puede refinar a partir de los subproductos del proceso de enriquecimiento requerido para producir un isótopo más pesado y fisionable, el plutonio-239, para armas nucleares. El isótopo más ligero produce muy poca radiación gamma, lo que significa que requiere relativamente poca protección en una nave espacial.

A medida que el Pu-238 se desintegra durante su vida media de casi 88 años (después de 88 años, queda aproximadamente la mitad de la masa original, luego la mitad nuevamente en cada período sucesivo de 88 años) su calor se convierte en electricidad a través de pares termoeléctricos (o termopares). ), que se basan en el efecto Seebeck. Esto fue descrito por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck, aunque no se dio cuenta de lo que estaba viendo: que una corriente eléctrica fluye entre dos metales mantenidos a diferentes temperaturas.

En el tipo de RTG utilizado en Nuevos horizontes y varias misiones anteriores, el lado caliente de la conexión promedia 1308 Kelvin (1894 °F) en el lanzamiento y el lado frío alrededor de 566 Kelvin (559 °F). La temperatura máxima disminuye con el tiempo a medida que el combustible se descompone, lo que contribuye a una reducción gradual de la producción eléctrica. Pero queda suficiente energía después de años en el espacio para energizar múltiples instrumentos científicos, hacer funcionar computadoras y manejar comunicaciones de datos a larga distancia.

Reserva decreciente

El Departamento de Energía de EE. UU. solía producir Pu-238 en su sitio de Savannah River en Carolina del Sur, pero dejó de producir plutonio apto para armas a fines de la década de 1980. El gobierno complementó sus existencias cada vez más reducidas comprando plutonio a Rusia, pero Rusia detuvo los envíos en 2009 y es posible que le quede poco o nada en forma utilizable. (Rusia no usa RTG para vuelos espaciales, y tampoco la Agencia Espacial Europea).

Se estima que Estados Unidos tiene alrededor de 37 kilogramos de Pu-238 envejecido, pero el director de la división de ciencia planetaria de la NASA, Jim Green, dice que solo alrededor de 17 kilogramos están en una forma que podría usarse para RTG. Para poner la figura en perspectiva, considere que Nuevos horizontes comenzó su misión con 11 kilogramos. Curiosidad carga unos escasos 4,8 kilogramos, pero también tiene baterías de litio que el RTG recarga durante los períodos de inactividad, lo que le permite al rover de Marte un gran suministro de energía general durante sus movimientos y experimentos diurnos.

La NASA está financiando un esfuerzo del Departamento de Energía para desarrollar un nuevo ciclo de producción que involucre a tres laboratorios nacionales: Los Alamos, Oak Ridge e Idaho. Para 2021, la operación espera producir 1,5 kilogramos de dióxido de plutonio-238 por año.

Dada la escasez y el hecho de que los RTG actuales son extremadamente ineficientes (convierten poco más del 6 por ciento de la producción de calor en electricidad), se espera que la próxima misión de la NASA para explorar Europa, una luna helada de Júpiter, funcione con energía solar. Hasta hace poco, se consideraba inviable usar energía solar a esa distancia, pero las mejoras en la tecnología terrestre han ayudado. La Agencia Espacial Europea también tiene una misión a Júpiter impulsada por energía solar, JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), cuyo lanzamiento está programado para 2022.

Se están realizando varios esfuerzos para mejorar la eficiencia de los termopares mediante el uso de nuevos materiales o diseños RTG completamente renovados. Una actualización a corto plazo del estilo de módulo utilizado en Curiosidad podría aumentar la electricidad extraída al 8 por ciento, por lo tanto, un tercio más de energía del mismo combustible, mientras que los proyectos a más largo plazo podrían alcanzar una eficiencia de hasta el 15 por ciento.

Enfoque alternativo

Otra idea muy antigua para impulsar naves espaciales ahora está en el estante, pero puede ser desempolvada. Durante años, la NASA financió el desarrollo del Generador de radioisótopos Stirling avanzado (ASRG), que, al igual que el efecto Seebeck, se basa en una idea de 200 años. Un motor Stirling genera electricidad a partir de un pistón alimentado por un diferencial de calor, como un termopar, pero con algunas partes mecánicas. El pistón en este diseño flota en helio para evitar el desgaste físico.

El ASRG podría tener cuatro veces la eficiencia de los RTG actuales, o alrededor del 26 por ciento. Esto extendería mucho más el escaso Pu-238. Tampoco es solo teórico: un prototipo de ASRG se ha estado ejecutando en un laboratorio durante una década sin falta. El único problema es que el presupuesto de ASRG se recortó en 2013. El jefe de ciencias planetarias de la NASA, Green, está ansioso por reiniciar el trabajo.

La comida para llevar:

La energía solar jugará un papel más importante en el futuro de la exploración planetaria. Pero quedan muchos puntos que las naves con paneles solares no pueden alcanzar, y muchos instrumentos científicos requieren más energía de la que es factible o económica para operar a través de paneles solares. Se requieren RTG para llegar a Saturno y más allá, explorar cráteres lunares y visitar el lado oscuro de Mercurio, y permitir una ciencia ambiciosa y expansiva en la escala del viajeros .

La próxima nave Pluto tendrá plutonio a bordo. Es cuestión de asegurarse de que haya suficiente y se utilice bien.

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