Energía nuclear en el espacio
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El motor de cohete térmico nuclear KIWI A principal
Mars Curiosity rover propulsado por un RTG en Marte. El RTG blanco con aletas es visible al otro lado del rover.

La energía nuclear en el espacio es el uso de energía nuclear en el espacio ultraterrestre , por lo general, ya sea en pequeños sistemas de fisión o desintegración radiactiva para generar electricidad o calor. Otro uso es para la observación científica, como en un espectrómetro Mössbauer . El tipo más común es un generador termoeléctrico de radioisótopos , que se ha utilizado en muchas sondas espaciales y en misiones lunares tripuladas. También se han volado pequeños reactores de fisión para satélites de observación de la Tierra, como el reactor nuclear TOPAZ . [1] Un calentador de radioisótopos.funciona con desintegración radiactiva y puede evitar que los componentes se enfríen demasiado para funcionar, potencialmente durante un lapso de décadas. [2]

Estados Unidos probó el reactor nuclear SNAP-10A en el espacio durante 43 días en 1965, [3] y la siguiente prueba de un sistema de potencia de reactor nuclear destinado al uso espacial tuvo lugar el 13 de septiembre de 2012 con la prueba de demostración con fisión de superficie plana (DUFF). del reactor Kilopower . [4]

Después de una prueba en tierra del reactor experimental Romashka de 1965 , que utilizó uranio y conversión termoeléctrica directa en electricidad, [5] la URSS envió alrededor de 40 satélites nucleares-eléctricos al espacio, en su mayoría propulsados ​​por el reactor BES-5 . El reactor TOPAZ-II, más potente, produjo 10 kilovatios de electricidad. [3]

Ejemplos de conceptos que utilizan la energía nuclear para los sistemas de propulsión espacial incluyen el cohete eléctrico nuclear ( propulsores de iones de propulsión nuclear ), el cohete de radioisótopos y la propulsión eléctrica de radioisótopos (REP). [6] Uno de los conceptos más explorados es el cohete térmico nuclear , que fue probado en tierra en el programa NERVA . La propulsión de pulso nuclear fue el tema del Proyecto Orión . [7]

Regulación y prevención de peligros

Después de la prohibición de las armas nucleares en el espacio por el Tratado del Espacio Ultraterrestre en 1967, la energía nuclear ha sido discutida por lo menos desde 1972 como un tema delicado por los estados. [8] Particularmente sus peligros potenciales para el medio ambiente de la Tierra y, por lo tanto, también para los humanos, ha llevado a los estados a adoptar en la Asamblea General de la ONU los Principios Relevantes para el Uso de Fuentes de Energía Nuclear en el Espacio Ultraterrestre (1992), particularmente introduciendo principios de seguridad para lanzamientos y para gestionar su tráfico . [8]

Beneficios

Tanto los módulos de aterrizaje Viking 1 como Viking 2 utilizaron RTG para obtener energía en la superficie de Marte. (Vehículo de lanzamiento Viking en la foto)

Si bien la energía solar se utiliza con mucha más frecuencia, la energía nuclear puede ofrecer ventajas en algunas áreas. Las células solares, aunque son eficientes, solo pueden suministrar energía a las naves espaciales en órbitas donde el flujo solar es lo suficientemente alto, como la órbita terrestre baja y los destinos interplanetarios lo suficientemente cerca del Sol. A diferencia de las células solares, los sistemas de energía nuclear funcionan independientemente de la luz solar, que es necesaria para la exploración del espacio profundo . Los sistemas de base nuclear pueden tener menos masa que las células solares de potencia equivalente, lo que permite naves espaciales más compactas que son más fáciles de orientar y dirigir en el espacio. En el caso de los vuelos espaciales tripulados, los conceptos de energía nuclear que pueden alimentar tanto los sistemas de propulsión como los de soporte vital pueden reducir tanto el costo como el tiempo de vuelo. [9]

Las aplicaciones y / o tecnologías seleccionadas para el espacio incluyen:

  • Generador termoeléctrico de radioisótopos
  • Unidad calefactora de radioisótopos
  • Generador piezoeléctrico de radioisótopos
  • Cohete de radioisótopos
  • Cohete termal nuclear
  • Propulsión de pulso nuclear
  • Cohete eléctrico nuclear

Tipos

Esta tabla es un extracto de Generador termoeléctrico de radioisótopos § Sistemas de energía nuclear en el espacio . [ editar ]
Nombre y modeloUsado en (# de RTG por usuario)Máxima salidaradio-
isótopos		Combustible máximo
utilizado (kg)		Masa (kilogramo)Potencia / masa (eléctrico W / kg)
Eléctrico ( W )Calor (W)
MMRTGMSL / Rover Curiosity y Perseverance / Mars 2020 roverC. 110C. 2000238 PuC. 4<452.4
GPHS-RTGCassini (3) , Nuevos Horizontes (1) , Galileo (2) , Ulises (1)3004400238 Pu7.855,9–57,8 [10]5.2–5.4
MHW-RTGLES-8/9 , Voyager 1 (3) , Voyager 2 (3)160 [10]2400 [11]238 PuC. 4.537,7 [10]4.2
SNAP-3BTránsito-4A (1)2.7 [10]52,5238 Pu?2.1 [10]1.3
SNAP-9ATránsito 5BN1 / 2 (1)25 [10]525 [11]238 PuC. 112,3 [10]2.0
SNAP-19Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4) , Pioneer 11 (4)40,3 [10]525238 PuC. 113,6 [10]2.9
SNAP-19 modificadoVikingo 1 (2), Vikingo 2 (2)42,7 [10]525238 PuC. 115,2 [10]2.8
SNAP-27Apolo 12-17 ALSEP (1)731,480238 Pu [12]3.8203,65
(reactor de fisión) Buk (BES-5) **Nosotros-Como (1)3000100.000235 U altamente enriquecido3010003,0
(reactor de fisión) SNAP-10A ***SNAP-10A (1)600 [13]30.000235 U altamente enriquecido4311.4
ASRG ****diseño de prototipo (no lanzado), programa de descubrimientoC. 140 (2x70)C. 500238 Pu1344.1

Sistemas de radioisótopos

SNAP-27 en la Luna

Durante más de cincuenta años, los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) han sido la principal fuente de energía nuclear de los Estados Unidos en el espacio. Los RTG ofrecen muchos beneficios; son relativamente seguros y no requieren mantenimiento, son resistentes en condiciones difíciles y pueden funcionar durante décadas. Los RTG son particularmente deseables para su uso en partes del espacio donde la energía solar no es una fuente de energía viable. Se han implementado docenas de RTG para alimentar 25 naves espaciales estadounidenses diferentes, algunas de las cuales han estado operando durante más de 20 años. Más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos se han utilizado en todo el mundo (principalmente en los Estados Unidos y la URSS) en misiones espaciales. [14]

El generador de radioisótopos de Stirling avanzado (ASRG, un modelo de generador de radioisótopos de Stirling (SRG)) produce aproximadamente cuatro veces la energía eléctrica de un RTG por unidad de combustible nuclear, pero no se esperan unidades listas para volar basadas en tecnología Stirling hasta 2028. [ 15] La NASA planea utilizar dos ASRG para explorar Titán en un futuro lejano. [ cita requerida ]

Diagrama de corte del avanzado generador de radioisótopos de Stirling.

Los generadores de energía de radioisótopos incluyen:

  • SNAP-19, SNAP-27 ( Sistemas para energía auxiliar nuclear )
  • MHW-RTG
  • GPHS-RTG
  • MMRTG
  • ASRG (generador de radioisótopos avanzado de Stirling)

Las unidades de calentamiento de radioisótopos (RHU) también se utilizan en naves espaciales para calentar instrumentos científicos a la temperatura adecuada para que funcionen de manera eficiente. Se utiliza un modelo más grande de RHU llamado Fuente de calor de propósito general (GPHS) para alimentar RTG y ASRG. [ cita requerida ]

Se han propuesto radioisótopos de descomposición extremadamente lenta para su uso en sondas interestelares con vidas de varias décadas. [dieciséis]

A partir de 2011, otra dirección de desarrollo fue un RTG asistido por reacciones nucleares subcríticas. [17]

Sistemas de fisión

Los sistemas de energía de fisión pueden utilizarse para alimentar los sistemas de calefacción o propulsión de una nave espacial. En términos de requisitos de calefacción, cuando las naves espaciales requieren más de 100 kW de energía, los sistemas de fisión son mucho más rentables que los RTG. [ cita requerida ]

Durante las últimas décadas, se han propuesto varios reactores de fisión y la Unión Soviética puso en marcha 31 reactores de fisión de baja potencia BES-5 en sus satélites RORSAT utilizando convertidores termoeléctricos entre 1967 y 1988. [ cita requerida ]

En las décadas de 1960 y 1970, la Unión Soviética desarrolló reactores TOPAZ , que utilizan convertidores termoiónicos en su lugar, aunque el primer vuelo de prueba no fue hasta 1987. [ cita requerida ]

En 1965, Estados Unidos lanzó un reactor espacial, el SNAP-10A , que había sido desarrollado por Atomics International , entonces una división de North American Aviation . [18]

En 1983, la NASA y otras agencias gubernamentales de EE. UU. Comenzaron a desarrollar un reactor espacial de próxima generación, el SP-100 , por contrato con General Electric y otros. En 1994, el programa SP-100 fue cancelado, en gran parte por razones políticas, con la idea de hacer la transición al sistema de reactor ruso TOPAZ-II . Aunque algunos prototipos de TOPAZ-II se probaron en tierra, el sistema nunca se implementó para misiones espaciales de EE. UU. [19]

En 2008, la NASA anunció planes para utilizar un pequeño sistema de energía de fisión en la superficie de la Luna y Marte, y comenzó a probar tecnologías "clave" para que se materializara. [20]

Las naves espaciales y los sistemas de exploración del sistema de energía de fisión propuestos han incluido SP-100 , propulsión eléctrica nuclear JIMO y energía de superficie de fisión . [14]

Pequeño reactor experimental SAFE-30

Se han desarrollado o se están desarrollando varios tipos de microrreactores nucleares para aplicaciones espaciales: [21]

  • RAPID-L
  • sistema de generación de energía magnetohidrodinámico de ciclo cerrado (CCMHD)
  • SP-100
  • Convertidor termoeléctrico de metales alcalinos (AMTEC)
  • Kilopotencia

Los sistemas de propulsión térmica nuclear (NTR) se basan en la potencia de calentamiento de un reactor de fisión, lo que ofrece un sistema de propulsión más eficiente que uno impulsado por reacciones químicas. La investigación actual se centra más en los sistemas eléctricos nucleares como fuente de energía para proporcionar empuje para propulsar las naves espaciales que ya están en el espacio.

Otros reactores de fisión espacial para propulsar vehículos espaciales incluyen el reactor SAFE-400 y el HOMER-15. En 2020, Roscosmos (la Agencia Espacial Federal Rusa ) planea lanzar una nave espacial utilizando sistemas de propulsión de propulsión nuclear (desarrollados en el Centro de Investigación Keldysh ), que incluye un pequeño reactor de fisión refrigerado por gas con 1 MWe. [22] [23]

En septiembre de 2020, la NASA y el Departamento de Energía (DOE) emitieron una solicitud formal de propuestas para un sistema de energía nuclear lunar, en la que se otorgarían varios premios a diseños preliminares completados para fines de 2021, mientras que en una segunda fase, por a principios de 2022, seleccionarían una empresa para desarrollar un sistema de energía de fisión de 10 kilovatios que se colocaría en la Luna en 2027. [24]

Concepción de los artistas de Júpiter Icy Moons Orbiter misión para Prometheus, con el reactor a la derecha, que proporciona energía a los motores de iones y la electrónica.

Proyecto Prometeo

En 2002, la NASA anunció una iniciativa para desarrollar sistemas nucleares, que más tarde se conocería como Proyecto Prometheus . Una parte importante del Proyecto Prometheus fue desarrollar el Generador de radioisótopos Stirling y el Generador termoeléctrico de misiones múltiples, ambos tipos de RTG. El proyecto también tenía como objetivo producir un sistema de reactor de fisión espacial seguro y duradero para la potencia y la propulsión de una nave espacial, reemplazando los RTG de larga duración. Las restricciones presupuestarias dieron como resultado la interrupción efectiva del proyecto, pero el Proyecto Prometheus ha tenido éxito en la prueba de nuevos sistemas. [25] Después de su creación, los científicos probaron con éxito una propulsión eléctrica de alta potencia.(HiPEP), que ofrecía ventajas sustanciales en eficiencia de combustible, vida útil del propulsor y eficiencia del propulsor sobre otras fuentes de energía. [26]

Visuales

Una galería de imágenes de sistemas de energía nuclear espaciales.

  • Cáscara al rojo vivo que contiene plutonio en proceso de desintegración nuclear, dentro del Laboratorio de Ciencias de Marte MMRTG. [27] MSL se lanzó en 2011 y aterrizó en Marte en agosto de 2012.

  • El exterior del MSL MMRTG. El revestimiento blanco de Aptek 2711 refleja la luz solar mientras sigue transmitiendo calor a la atmósfera marciana

  • La planta de energía nuclear espacial SNAP-10A , que se muestra aquí en pruebas en la Tierra, se puso en órbita en la década de 1960.

  • Orbitador de las lunas heladas de Júpiter . Un brazo largo mantiene el reactor a distancia, mientras que un escudo de sombra de radiación protege las aletas del radiador.

Ver también

  • ESTADOS UNIDOS
  • Lista de sistemas de energía nuclear en el espacio
  • Generador termoeléctrico de radioisótopos # Sistemas de energía nuclear en el espacio
  • Misiones humanas austeras a Marte
  • Propulsión de pulso nuclear
  • Propulsión nuclear
  • Cohete termal nuclear
  • Cohete eléctrico nuclear
  • Baterías en el espacio
  • Paneles solares en naves espaciales

Referencias

  1. ^ Hyder, Anthony K .; RL Wiley; G. Halpert; S. Sabripour; DJ Flood (2000). Tecnologías de energía de naves espaciales . Prensa del Imperial College . pag. 256. ISBN 1-86094-117-6.
  2. ^ "Departamento de hechos de energía: unidades de calentador de radioisótopos" (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Sistemas de Energía Espacial y de Defensa. Diciembre de 1998. Archivado desde el original (PDF) el 27 de mayo de 2010 . Consultado el 24 de marzo de 2010 .
  3. ^ a b "Energía nuclear en el espacio" . Spacedaily.com . Consultado el 23 de febrero de 2016 .
  4. ^ "NASA - Investigadores prueban un nuevo sistema de energía para viajes espaciales - El equipo conjunto de la NASA y el DOE demuestra un prototipo de reactor de fisión simple y robusto" . Nasa.gov . 2012-11-26 . Consultado el 23 de febrero de 2016 .
  5. ^ Ponomarev-Stepnoi, NN; Kukharkin, NE; Usov, VA (marzo de 2000). " " Romashka "reactor de convertidor". Energía atómica . Nueva York: Springer. 88 (3): 178–183. doi : 10.1007 / BF02673156 . ISSN 1063-4258 . S2CID 94174828 .  
  6. ^ "Propulsión eléctrica de radioisótopos: Habilitación de los objetivos científicos de la encuesta decenal para cuerpos primitivos" (PDF) . Lpi.usra.edu . Consultado el 23 de febrero de 2016 .
  7. ^ Everett, CJ; Ulam SM (agosto de 1955). "Sobre un método de propulsión de proyectiles mediante explosiones nucleares externas. Parte I" (PDF) . Laboratorio Científico de Los Alamos. pag. 5.
  8. ^ Zaitsev, Yury. "Energía nuclear en el espacio" . Spacedaily . Consultado el 22 de noviembre de 2013 .
  9. ^ a b c d e f g h i j k "Energía nuclear espacial" GLBennett 2006
  10. ^ a b "Copia archivada" . Archivado desde el original el 19 de junio de 2008 . Consultado el 19 de octubre de 2012 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
  11. ^ "SNAP-27" . Museo Nacional del Aire y del Espacio del Smithsonian . Archivado desde el original el 24 de enero de 2012 . Consultado el 13 de septiembre de 2011 .
  12. ^ "Descripción general de SNAP" . USDOE ETEC. Archivado desde el original el 4 de mayo de 2010 . Consultado el 4 de abril de 2010 .
  13. ^ a b Mason, Lee; Sterling Bailey; Ryan Bechtel; John Elliott; Mike Houts; Rick Kapernick; Ron Lipinski; Duncan MacPherson; Tom Moreno; Bill Nesmith; Dave Poston; Lou Qualls; Ross Radel; Abraham Weitzberg; Jim Werner; Jean-Pierre Fleurial (18 de noviembre de 2010). "Estudio de viabilidad del sistema de energía de fisión pequeña - Informe final" . NASA / DOE . Consultado el 3 de octubre de 2015 .Energía nuclear espacial: desde 1961, los EE. UU. Han volado más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) con un historial operativo esencialmente perfecto. Los detalles de estos RTG y las misiones que han impulsado se han revisado a fondo en la literatura abierta. Estados Unidos ha volado solo un reactor, que se describe a continuación. La Unión Soviética ha volado solo 2 RTG y ha mostrado una preferencia por utilizar pequeños sistemas de energía de fisión en lugar de RTG. La URSS tenía un programa de energía de fisión espacial más agresivo que los EE. UU. Y voló más de 30 reactores. Aunque estos fueron diseñados para una vida útil corta, el programa demostró el uso exitoso de diseños y tecnología comunes.
  14. ^ "Reunión de intercambio técnico de Stirling" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 20 de abril de 2016 . Consultado el 8 de abril de 2016 .
  15. ^ "Sonda interestelar innovadora" . JHU / APL . Consultado el 22 de octubre de 2010 .
  16. ^ Arias, FJ (2011). "Generador termoeléctrico de radioisótopos de asistencia subcrítica avanzada: una solución imperativa para el futuro de la exploración de la NASA" . Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica . 64 : 314–318. Código bibliográfico : 2011JBIS ... 64..314A .
  17. ↑ AAP-Reuter (5 de abril de 1965). "Reactor va al espacio". The Canberra Times. 39 (11, 122). Territorio de la Capital Australiana, Australia. 5 de abril de 1965. p. 1. A través de la Biblioteca Nacional de Australia. Consultado el 12 de agosto de 2017 en https://trove.nla.gov.au/newspaper/article/131765167 .
  18. ^ Consejo Nacional de Investigación (2006). Prioridades en ciencia espacial habilitadas por energía nuclear y propulsión . Academias Nacionales. pag. 114. ISBN 0-309-10011-9.
  19. ^ "Un reactor nuclear lunar | Instituto Virtual de investigación de exploración del sistema solar" . Sservi.nasa.gov . Consultado el 23 de febrero de 2016 .
  20. ^ "Reactores nucleares para el espacio - Asociación Nuclear Mundial" . World-nuclear.org . Consultado el 23 de febrero de 2016 .
  21. ^ Page, Lewis (5 de abril de 2011). "Rusia, la NASA para mantener conversaciones sobre naves espaciales de propulsión nuclear Los moscovitas tienen las pelotas pero no el dinero" . El registro . Consultado el 26 de diciembre de 2013 .
  22. ^ "Avance en la búsqueda de naves espaciales de propulsión nuclear" . Rossiiskaya Gazeta. 25 de octubre de 2012 . Consultado el 26 de diciembre de 2013 .
  23. ^ "NASA para buscar propuestas para el sistema de energía nuclear lunar" . Noticias espaciales . 2 de septiembre de 2020.
  24. ^ "Reactores nucleares para el espacio" . Asociación Nuclear Mundial . Consultado el 22 de noviembre de 2013 .
  25. ^ "La NASA prueba con éxito el motor de iones" . ScienceDaily . Consultado el 22 de noviembre de 2013 .
  26. ^ "Tecnologías de amplio beneficio: poder" . Archivado desde el original el 14 de junio de 2008 . Consultado el 20 de septiembre de 2008 .

enlaces externos

  • KRUSTY - Reactor de kilopotencia con tecnología Stirling
  • Estudio de viabilidad del sistema de energía de fisión pequeña
  • Energía nuclear en el espacio - Oficina de Energía Nuclear - Departamento de Energía de EE. UU. (.Pdf)
  • Papel SAFE-400 (reactor de fisión)
  • Concepto de diseño para un Mars Rover propulsado por un reactor nuclear
  • David Poston, "Energía nuclear espacial: reactores de fisión"
  • Diseño y prueba de pequeñas armas nucleares (archivo .pdf)
  • Descripción general de la NASA y la energía nuclear en el espacio
  • La NASA busca energía nuclear para Marte (diciembre de 2017)
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