Los avances actuales en materiales, capacidades de prueba y desarrollo de reactores están brindando un impulso a la NASA para evaluar la Propulsión Nuclear Térmica (NTP, por sus siglas en inglés) como una atractiva opción del siglo XXI para propulsar misiones de exploración humana a Marte y otros destinos del espacio profundo.

Utilizar la tecnología nuclear como un elemento del poder de exploración de la NASA no es algo nuevo. La investigación en NTP es parte de la historia legendaria de la agencia espacial. En 1961, la NASA y la antigua Comisión de Energía Atómica se embarcaron conjuntamente en el programa Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), un esfuerzo que, a lo largo de varios años, llevó al diseño, construcción y prueba de reactores y motores de cohetes.

Estos hitos programáticos estimularon al entonces director del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA y pionero de cohetes, Wernher von Braun, a abogar por una misión propuesta que enviaría a una docena de tripulantes a Marte a bordo de dos cohetes. Cada cohete sería propulsado por tres motores NERVA. Como detalló von Braun, esa tripulación de expedición se lanzaría al Planeta Rojo en noviembre de 1981 y aterrizaría en ese mundo distante en agosto de 1982. Al presentar su plan visionario en agosto de 1969 a un Grupo de Trabajo Espacial, von Braun explicó que “aunque emprender esta misión será un gran desafío nacional, no representa un desafío mayor que el compromiso asumido en 1961 de llevar a un hombre a la Luna”.

Sin embargo, cambios en las prioridades, vientos políticos y recortes presupuestarios espaciales llevaron a la reducción del trabajo de propulsión nuclear de la NASA a finales de 1972.

Robustez arquitectónica

Ahora, avanzamos rápidamente más de 45 años hasta el presente. Una vez más se reconoce que la NTP es una opción viable y poderosa para explorar Marte y otros destinos.

“Estamos trabajando en un sistema de NTP de primera generación que tiene un gran potencial de crecimiento”, explica Doyce “Sonny” Mitchell, director del proyecto de NTP en el Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama. La NTP está experimentando una relevancia renovada, un nuevo enfoque en la “robustez arquitectónica”, agrega.

Mitchell afirma que los sistemas avanzados de NTP podrían proporcionar tiempos de tránsito mucho más rápidos hacia Marte.

Las ventajas potenciales de la NTP para las misiones humanas a Marte incluyen un tiempo de tránsito reducido hacia el planeta y de regreso a la Tierra. Moverse rápidamente entre planetas también reduce la exposición de los astronautas a la radiación y otros peligros, incluido el impacto en el cuerpo humano de la exposición a la microgravedad. Los sistemas de NTP de primera generación podrían reducir a la mitad la duración total de la misión, dejando aún tiempo adecuado para la exploración de la superficie de Marte.

Además, el uso de la NTP proporciona una ventaja para los planificadores de vuelo que deben considerar posibles escenarios de aborto, señala Mitchell, “y eso te brinda márgenes, algo que a todos nos gusta”.

Con la NTP, las misiones a Marte podrían lograrse en momentos en que la Tierra y el Planeta Rojo se encuentren en posiciones orbitales menos favorables entre sí.

Dicho esto, la NTP energética produce una eficiencia excepcional, medida en términos espaciales como “impulso específico”, es decir, el cambio de momento por unidad de masa de propelente. La NTP ofrece una densidad de energía mejorada, mucho mayor que la de los sistemas químicos habituales. Se vuelve factible atravesar rápidamente el vacío del espacio entre la Tierra y Marte.

Nuevos enfoques

Los avances recientes en tecnología de materiales pueden proporcionar un camino más asequible para el desarrollo de un motor de cohete nuclear, sugiere Michael Houts, el investigador principal de NTP en el proyecto de la NASA Marshall. Durante décadas, una variedad de diseños de sistemas de propulsión nuclear han involucrado reactores alimentados con uranio altamente enriquecido.

“Ahora estamos considerando sistemas que utilizan uranio de bajo enriquecimiento”, señala Houts. Un beneficio clave de este enfoque es que el uso de uranio de bajo enriquecimiento puede permitir que las instalaciones de prueba de motores de cohetes establecidas se modifiquen para su uso en la calificación de sistemas de NTP. También se están desarrollando y demostrando sistemas para capturar todos los efluentes potencialmente radiactivos de las pruebas en tierra, lo que aumenta aún más la flexibilidad en la ubicación del sitio de prueba.

En segundo lugar, el uso de uranio de bajo enriquecimiento podría tener un menor impacto en el presupuesto y el cronograma debido a la reducción de regulaciones sobre manipulación y seguridad, observa Houts. “Esos dos aspectos pueden ser muy beneficiosos para nuestro trabajo en NTP”.

El objetivo general del proyecto de NTP, señala Mitchell, es determinar la viabilidad y asequibilidad de un motor de NTP basado en uranio de bajo enriquecimiento.

Investigaciones pasadas sobre el NERVA encontraron que los motores alimentados por compuestos de grafito experimentaban una erosión y agrietamiento no deseados. Por lo tanto, la evaluación de una forma de combustible candidata cerámico-metalizado es un enfoque clave para la nueva iniciativa de NTP.

Fabricación de combustible

BWXT Nuclear Energy, Inc., con sede en Lynchburg, Virginia, está trabajando con la NASA en intercambios y diseños conceptuales iniciales del reactor, desarrollo inicial de fabricación de combustible y núcleo, apoyo para licencias en pruebas iniciales en tierra y desarrollo del programa de pruebas del motor.

“Es un momento oportuno para orientar nuestras capacidades hacia el mercado espacial, donde vemos oportunidades de crecimiento a largo plazo en propulsión nuclear y energía superficial nuclear”, dice Rex Geveden, Presidente y Director Ejecutivo de BWXT. La fabricación del reactor y el combustible para una nave espacial de energía nuclear es un ejemplo.

Actualmente, BWXT está desarrollando y fabricando el combustible de NTP. Las muestras de combustible están siendo sometidas a pruebas no nucleares en el Compact Fuel Element Environmental Tester (CFEET) de la NASA en el Centro de Vuelo Espacial Marshall en Huntsville, Alabama, lo que ayuda a validar las técnicas de fabricación y el rendimiento, señala Houts.

Está previsto realizar pruebas no nucleares de segmentos de combustible de longitud completa en el Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator (NTREES) de la NASA, y proyectos posteriores podrían incluir pruebas de elementos de combustible en una instalación del Departamento de Energía, como la Transient Reactor Test Facility del Laboratorio Nacional de Idaho.

La utilización completa de los sistemas de NTP también requerirá una instalación de prueba en tierra del motor. Una opción que se está evaluando es el uso del soporte de prueba A3 del Centro Espacial Stennis de la NASA para contener completamente el escape de hidrógeno, y también se están considerando otras opciones. Stennis está en camino de realizar una demostración a escala reducida del capturador de escape de NTP en 2019, según Houts de la NASA. “Hay mucho trabajo en curso. Estamos avanzando a buen ritmo”.

Abriendo el sistema solar

Abordar los niveles de preparación tecnológica de NTP, conocidos como TRL, es un desafío, dice Houts, y se está progresando para presentar un sólido caso a favor de la propulsión nuclear térmica.

“Estamos comenzando desde cero con nuevas tecnologías y hay un tremendo potencial de crecimiento. Debemos seguir avanzando. Creemos que no hay obstáculos técnicos para que la NTP funcione porque creemos que estamos abordando los principales problemas”, explica Houts.

Houts señala que el papel de una NTP de primera generación en la evolución hacia sistemas de propulsión nuclear avanzados podría ser análogo al papel del avión DC-3 en el desarrollo de la aviación avanzada. El Douglas DC-3 revolucionó el transporte aéreo en las décadas de 1930 y 1940, popularizando los viajes aéreos y siendo ampliamente reconocido como el mejor avión de su época.

El primer vuelo de un sistema de fisión espacial moderno y útil será un tremendo primer paso hacia el desarrollo y la utilización de sistemas de fisión espacial altamente avanzados, comparables a la evolución del DC-3 al SR-71 Blackbird, el avión más avanzado jamás construido en relación con la tecnología disponible en ese momento, agrega Houts.

Mirando hacia el futuro, Mitchell, como gerente del proyecto NTP, le gustaría que exploremos grandes partes del sistema solar para finales del siglo. “Y ahí es donde tenemos que abrir una nueva tecnología”, dice, y la capacidad potencial de la NTP es un cambio de juego para la exploración espacial.

Houts enfatizó que hay una lista en expansión de aplicaciones para la NTP que ayudarían a habilitar la exploración detallada del sistema solar, incluido el desarrollo y uso amplio del espacio cislunar. Un reactor de NTP podría ser utilizado para diseñar misiones de exploración humana sólidas a Marte y más allá en el futuro.