NERVA: el motor nuclear para la exploración espacial

(Para Lorenzo Pasturenzi)
10/03/20

A principios de la década de 50, la carrera espacial de las dos grandes potencias planetarias, Estados Unidos y la URSS, todavía estaba en pañales. Sin embargo, desde un punto de vista teórico, ambas naciones ya habían ideado varios sistemas útiles para llevar al hombre más allá de la frontera de la atmósfera, gracias al progreso en la mecánica orbital, los misiles y la capacidad de trabajar materiales "especiales".

Uno de los grandes desafíos científicos y de ingeniería fue concebir un sistema de propulsión adecuado para esta misión, por lo tanto, capaz de producir un empuje suficiente para superar la enorme fuerza de peso de las naves espaciales y permitirles alcanzar una velocidad mayor que velocidad de escape terrestre (poco más de 40.000 km / h). Además, era esencial que el motor pudiera continuar funcionando fuera de la atmósfera, de modo que el vehículo pudiera acelerar y explotar aún más el empuje para realizar maniobras orbitales. Luego comenzaron a diseñar varios coheteses decir, motores que no requieren una atmósfera externa desde la cual extraer parte del propulsor, que tienen todos los reactivos necesarios para la operación almacenados a bordo en tanques especiales. En particular, varios fueron desarrollados endoreactores termoquímicos, conceptualmente bastante similar a los diseñados para accionar misiles en el ejército.

La idea detrás de estos propulsores es convertir la energía de unión química de los reactivos (oxidante y combustible) en la entalpía de la mezcla propulsora (es decir, en energía "intercambiable", "intercambiable" del fluido de trabajo) a través de la combustión, para luego lleve los productos de la reacción química para expandirse en una boquilla dinámica de gas (conducto convergente-divergente), transformando la entalpía en energía cinética (es decir, energía vinculada a la velocidad de traslación del gas). Este proceso implica una aceleración de los gases y, por lo tanto, por la ley de acción-reacción de la dinámica, el nacimiento de una fuerza opuesta que actúa sobre el motor: el empuje.

Se desarrollaron tres tipos de motores termoquímicos: propelente líquido, propelente sólido y propelente híbrido (imagen), caracterizada por diferentes empujes producidos y por diferentes duraciones del proceso de combustión. En los tres casos, sin embargo, hubo problemas relacionados con el peso del propulsor (especialmente en el caso sólido, con el consiguiente aumento del peso del vehículo) y el tamaño de los tanques de almacenamiento (especialmente en el caso del líquido debido a la baja densidad de los reactivos, con el consiguiente aumento de la resistencia aerodinámica en el vuelo en la atmósfera). Por lo tanto, se previó la necesidad de desarrollar otro tipo de motor que permitiera reducir la masa de propulsor que se almacenaría a bordo y el volumen de los tanques: cada kg ahorrado se transformaría en un kg de carga útil transportable y reduciría ¡La huella habría reducido la resistencia aerodinámica en las primeras etapas del vuelo!

El desarrollo de tecnologías relacionadas con la fisión nuclear llevó a los científicos a pensar que la energía atómica era la solución óptima para diseñar la nueva clase de motores. La idea de la propulsión nuclear ya se había establecido en los Estados Unidos y se estaba desarrollando tanto en el sector marítimo (en 1954 se lanzó el primer submarino nuclear, el Nautilus) y en el campo aeronáutico, a través del proyecto NEPA (Energía nuclear para propulsión de aeronaves-Energía nuclear para propulsión aeronáutica) y el programa ANP (Aeronave Propulsión Nuclear-Propulsión de aviación nuclear).

Aprovechando la experiencia adquirida, comenzaron a diseñar los primeros. endoreactores térmicos nucleares.

En 1959, el primer motor de cohete nuclear, el Kiwi-A (Proyecto "Rover"). En 1961, los excelentes resultados logrados impulsaron el nacimiento de un programa aún más amplio y ambicioso llamado NERVA (Motores Nucleares para Aplicaciones de Vehículos con Cohete , motores nucleares para aplicaciones en vehículos cohete), bajo la dirección de la NASA y AEC (Comisión de Energía Atómica-Comisión de Energía Atómica). Los requisitos de los motores construidos durante este programa variaron constantemente, volviéndose cada vez más ambiciosos en términos de empuje requerido y potencia térmica generada.

Gracias a las continuas mejoras, los ingenieros llegaron a especular para equipar la tercera etapa del Saturno V (el misil que llevó al hombre a la luna) de un motor térmico nuclear de tal manera que fue capaz de transportar grandes cargas y que podría usarse para la exploración de Marte. Sin embargo, la falta de fondos empujó a reducir nuevamente las especificaciones requeridas, lo que condujo a la construcción de motores menos potentes.

El programa continuó hasta 1972, cuando fue cancelado por la administración de Nixon para concentrar fondos en el desarrollo de un gran protagonista de la exploración espacial humana: el Transbordador espacial.

La tecnica

Los motores térmicos nucleares utilizan la fisión de un átomo de algunas sustancias particulares (es decir, el aplastamiento forzado de un átomo y su núcleo) para producir calor, que luego se utiliza para calentar el propelente. De esta forma se obtiene una entalpía del fluido de trabajo (exactamente como en el caso de la combustión en endoreactores termoquímicos). El propulsor se puede expandir a una boquilla, donde la entalpía se transforma en energía cinética. El resultado es una aceleración del fluido mismo y, para el principio de acción-reacción, un empuje que actúa sobre el motor.

La reacción de fisión se desencadena por un bombardeo por medio de neutrones en algunos átomos del material fisionable utilizado (normalmente uranio-235). El impacto de los neutrones genera el aplastamiento del núcleo atómico, cuyos componentes colisionan con los átomos cercanos, lo que hace que se rompan y, por lo tanto, alimentan el proceso. La fisión del núcleo produce principalmente dos formas de energía: la energía cinética de los fragmentos y la energía electromagnética (rayos gamma). El movimiento de los diversos fragmentos generados por la fisión se traduce en un aumento de la temperatura del material. Para evitar que la reacción se descontrole, es necesaria la presencia de barras de control (que absorben los fragmentos liberados por los átomos al inhibir la reacción) o "moderadores" capaces de ralentizar los neutrones evitando que fragmenten los átomos.

Desencadenó la reacción, el propelente, normalmente hidrógeno H2 en forma líquida o de amoníaco NH3, está hecho para deslizarse en las paredes del reactor para que pueda eliminar el calor, gracias a la diferencia de temperatura entre el fluido (muy frío) y el núcleo donde tiene lugar la fisión nuclear (muy caliente). El fluido de trabajo, que se calienta mediante este proceso, alcanza 2200-2700 ° C, convirtiéndose en gas. Cuanto mayor es la temperatura alcanzada por los gases, mayor es su energía y, por lo tanto, el empuje obtenido por su expansión hacia la boquilla. Por lo tanto, la limitación del empuje máximo que pueden proporcionar estos sistemas está dada por la temperatura máxima que puede alcanzar el propulsor sin que cause que las paredes del motor fallen.

¿Cuánta masa de propulsor ahorra este sistema de propulsión en comparación con los endoreactores termoquímicos?

Para responder a esta pregunta es necesario introducir un parámetro muy importante para los endoreactores: elimpulso de peso específico.

Este parámetro se define como:

Paloma T es el empuje proporcionado por el motor,mp es el caudal (masa por segundo) de combustible que pasa a través de la boquilla e g0 es la aceleración de la gravedad de la Tierra. Por lo tanto, el impulso de peso específico representa la relación entre el empuje proporcionado por el motor y el peso del propulsor que pasa a través de la boquilla (que por lo tanto "produce" el empuje mencionado anteriormente). Más el Isp es grande, ¡cuanto más se las arregla el motor para proporcionar empuje con una menor masa consumida (por lo tanto, peso) de propulsor! Los motores de calor nuclear permiten el uso de propulsores de bajo peso molecular (por ejemplo, elhidrógeno) y en cantidades más pequeñas, dado que no hay necesidad de activar la combustión, no hay necesidad de oxidante y combustible, por lo tanto, tienen un mayor impulso de peso específico (≈ 845 - 1000 secondi) en comparación con los motores termoquímicos (200 - 400 secondi).

La ventaja dada por la propulsión térmica nuclear es aún más evidente al insertar el impulso de peso específico en el "Ecuación de cohete”, Esa es la ecuación que en una de sus formas vincula la variación de velocidad impartida al cohete a la masa del propulsor presente a bordo.

Imagine tener que impartir una variación de velocidad al cohete para una maniobra orbital de 10 km / s. En el caso de un motor termoquímico de propulsor líquido con Isp= 500 seco Se obtiene un porcentaje de la masa de propulsor requerida igual al 87% de la masa total del cohete. En el caso de un motor de calor nuclear con Isp= 900 seco ¡obtienes un porcentaje de la masa de propulsor requerida igual al 67.8% de la masa total del cohete!

Como se demostró, la propulsión nuclear es ventajosa, sin embargo, no se deben subestimar los problemas de seguridad, desde la posible pérdida de material fisible hasta la necesidad de proteger a la tripulación de la radiación producida en el núcleo. Sin embargo, las recientes aspiraciones estadounidenses de traer al hombre a Marte reavivaron el interés en este tipo de propulsores. De hecho, con la misma masa de propulsor, es capaz de proporcionar un mayor aumento de velocidad en comparación con los reactores termoquímicos, lo que permite viajar órbitas de transferencia más cortas entre la Tierra y el Planeta Rojo. Este es un aspecto fundamental, especialmente considerando los riesgos potenciales para la salud de los astronautas relacionados con la exposición prolongada a la radiación solar.

Imágenes:

NASA

https://www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/4764/1/2010_10_Mazzetti.pdf

https://4.bp.blogspot.com/-rhLf2-GQdA4/Wm3lJBrxfZI/AAAAAAAARiU/gekUPBxWK...

https://www.researchgate.net/figure/Credit-Atomic-Energy-Commission-The-...

https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...

Fuentes:

https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...

https://www.researchgate.net/publication/320621010_HISTORY_OF_THE_NUCLEA...

Notas sobre el curso de propulsión aeroespacial, Politecnico di Milano