Gobierno e industria exploran motores espaciales nucleares y solares

ESPACIO

Concepto DARPA

COLORADO SPRINGS, Colorado – Cada vez hay más actividad comercial y militar en el espacio, y el Departamento de Defensa y la industria están invirtiendo en tecnologías de propulsión emergentes para mover sistemas en órbita más rápido, más lejos y de manera más eficiente.

Tradicionalmente, las naves espaciales han utilizado reacciones químicas para liberar energía y generar empuje. Sin embargo, este método es mucho menos eficiente que el uso de propulsión térmica nuclear, dijo Lisa May, gerente senior de estrategia y desarrollo comercial de Lockheed Martin NextGen.

Si bien la propulsión térmica nuclear tiene el mismo empuje que la química, “es de dos a cuatro veces más eficiente”, dijo May a los periodistas recientemente. Utilizando el impulso específico, o ISP, la medida de eficiencia de un sistema de propulsión, la sustancia química tiene alrededor de 400 segundos de ISP, mientras que la nuclear tiene “más allá de 700, hasta 900” segundos, “que es de lo que la NASA ha estado hablando para lograr que los humanos Marte”, dijo.

En 2021, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa seleccionó a Lockheed Martin como uno de los tres contratistas principales, junto con General Atomics y Blue Origin, para la Fase 1 de su programa Cohete de demostración para operaciones ágiles Cislunar, o DRACO, para mostrar el potencial de una bomba nuclear. sistema de propulsión térmica en el espacio, según un comunicado de DARPA.

En enero de este año, la NASA anunció que se había asociado con DARPA en el programa DRACO, describiendo un motor de cohete térmico nuclear como “una capacidad habilitadora para misiones tripuladas de la NASA a Marte”. El objetivo es demostrar el sistema en órbita en el año fiscal 2027, con la Fuerza Espacial proporcionando el vehículo de lanzamiento para la misión DRACO, según un comunicado de DARPA.

El programa está a punto de entrar en la Fase 2, que "implicará principalmente la construcción y prueba de los componentes no nucleares del motor", como válvulas, bombas, la boquilla y "un núcleo representativo sin materiales nucleares", dijo el programa de DARPA. dijo la gerente de DRACO, Tabitha Dodson, durante una mesa redonda en el Simposio Espacial de la Fundación Espacial en abril. Dodson dijo que entonces una decisión de la Fase 2 está “bastante cerca”. Sin embargo, al cierre de esta edición, a mediados de julio, no se había adjudicado ningún contrato.

La fase 3 de DRACO “implicará el montaje del [cohete nuclear térmico] alimentado con la etapa, pruebas ambientales y lanzamiento al espacio para realizar experimentos en el [cohete nuclear térmico] y su reactor”, afirmó el sitio web de DARPA.

"No hay instalaciones en la Tierra que podamos usar para la prueba de potencia de nuestro reactor DRACO... así que siempre hemos hecho como base nuestra prueba de potencia para el reactor en el espacio", dijo Dodson. Una vez en el espacio, DARPA aumentará "muy gradualmente" el sistema hasta alcanzar "máxima potencia", dijo.

En cuanto a las aplicaciones del sistema del Departamento de Defensa, el motor térmico nuclear “realizará misiones típicamente reservadas para cohetes de etapa superior... pero hace esas misiones mejor”, transportando cargas pesadas “más rápido [y] más lejos sin necesidad de un elevador súper pesado”. "Primera etapa", dijo.

"La maniobra rápida es un principio fundamental de las operaciones modernas del Departamento de Defensa en tierra, mar y aire", dijo DARPA. "Sin embargo, las maniobras rápidas en el ámbito espacial han sido tradicionalmente un desafío porque los sistemas actuales de propulsión espacial eléctrica y química tienen inconvenientes en la relación empuje-peso y la eficiencia del propulsor, respectivamente".

El sistema de propulsión térmica nuclear de DRACO "tiene el potencial de lograr altas relaciones empuje-peso similares a la propulsión química en el espacio y acercarse a la alta eficiencia propulsora de los sistemas eléctricos", según el comunicado. "Esta combinación le daría a la nave espacial DRACO una mayor agilidad para implementar el principio central del Departamento de Defensa de maniobra rápida en el espacio cislunar".

Sin embargo, como la mayoría de la tecnología nuclear, los sistemas de propulsión espacial podrían encontrarse con trámites burocráticos regulatorios, dijo Kirk Shireman, vicepresidente de la Campaña de Exploración Lunar Lockheed Martin.

"Existe la [percepción] política y las regulaciones en general y hay una percepción pública sobre los reactores nucleares, y lanzarlos fuera del planeta parece asustar a la gente", dijo Shireman durante el panel. “Creo que podemos hacerlo de forma segura. Hemos estado volando [generadores termoeléctricos de radioisótopos] en el espacio, lanzándolos, y creo que podemos lanzar reactores”.

Hacer demostraciones como DRACO ayudará a educar a los operadores no sólo sobre los desafíos técnicos del uso de la propulsión nuclear en el espacio, sino que también les ayudará a “comprender todas las cuestiones que hay que resolver [en] el entorno regulatorio”, dijo. "Estoy preocupado por eso, pero sé que podemos hacerlo".

Dodson dijo que DARPA se siente “muy cómodo y confiado trabajando dentro” de los marcos regulatorios y de seguridad existentes para DRACO, y señaló que el “enfoque de seguridad del programa se basa en cuatro criterios generales de diseño”: nunca encender el reactor hasta que llegue al espacio; hacer todo lo posible para evitar que el reactor se encienda accidentalmente; prevenir riesgos radiológicos para el público de conformidad con el Memorando Presidencial de Seguridad Nacional-20; y deshacerse del reactor mientras se encuentra en órbita en el espacio, de acuerdo con las Prácticas Estándar de Mitigación de Desechos Orbitales del gobierno de EE. UU.

"Quiero intentar imaginar un futuro en el que la gente se acostumbre a ver y se sienta tan cómoda con el concepto de reactores nucleares en el espacio como lo estamos a ver a la Marina emplearlos en barcos y submarinos", dijo. “La Marina tiene un historial de seguridad perfecto con los reactores en el mar... dieron un gran ejemplo desde la producción hasta la fabricación, la instalación, la experimentación y el despliegue. Por lo tanto, creo que podríamos y deberíamos esforzarnos en simplemente seguir su ejemplo” cuando demostremos capacidades nucleares en el espacio.

A pesar del compromiso de DARPA con la seguridad, los sistemas de propulsión nuclear enfrentan una ardua batalla para implementarlos en naves espaciales a escala, dijo Joel Sercel, fundador y director ejecutivo de TransAstra, una empresa de tecnología espacial.

"Los reactores nucleares son la fuente de energía más eficiente que tenemos, y el ingeniero que hay en mí los ama", dijo Sercel en una entrevista. “El problema es que la sociedad prácticamente ha dicho que no vamos a hacer eso. Y cuando los entusiastas de la ingeniería... se entusiasman mucho con esto, pueden convencer a ciertos niveles de tomadores de decisiones de que esto es lo correcto. Pero tan pronto como empieza a superar el nivel de financiación de mil millones de dólares, los adultos en la sala dicen: '¿Y cómo van a llevar esto al espacio? ¿Y cómo vas a probar esto?'”

Superar las barreras físicas (las instalaciones necesarias y las pruebas para demostrar que la tecnología es segura) y las barreras psicológicas no ha sido sostenible, dijo.

En mayo, la Fuerza Espacial otorgó a TransAstra un contrato de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas de Fase Uno para explorar nuevas aplicaciones para el propulsor Omnivore independiente del propulsor de la compañía.

El propulsor Omnivore utiliza reflectores solares para enfocar la luz solar en un absorbente solar, que luego sobrecalienta el propulsor del sistema para generar empuje "normalmente seis veces más rápido y ocho veces más barato que los sistemas eléctricos", según un comunicado de la compañía.

Además, TransAstra calculó que un propulsor Omnivore “que utiliza propulsor de hidrógeno líquido… funcionará de manera similar a los cohetes nucleares, pero sin materiales, costos ni riesgos nucleares”.

Sercel dijo que Omnivore tiene "el 80 por ciento del rendimiento de la energía nuclear al 1 por ciento del costo". El sistema es esencialmente de propulsión nuclear, "pero el reactor nuclear en cuestión es el reactor de fusión en el centro del sistema solar llamado Sol", añadió.

"Lo bueno de los reactores nucleares es que tienes un reactor pequeño y compacto frente a grandes reflectores solares desplegables, pero el rendimiento básico de los cohetes solares térmicos y los cohetes nucleares es más o menos el mismo", dijo. Y con Omnivore “no tienes todas estas preocupaciones de seguridad y problemas de control de reactores y materiales radiactivos, etc. Por eso creemos que es un enfoque mucho más práctico”.

Omnivore podría tener múltiples aplicaciones de misión para el Departamento de Defensa, dijo Sercel. Utilizando propulsor de hidrógeno líquido, el propulsor “puede llevar cientos de kilogramos” de naves espaciales a una órbita geosincrónica “en pequeños vehículos de lanzamiento, y la Fuerza Espacial parece estar muy entusiasmada con esto”, dijo. El sistema también podría llevar naves espaciales que pesen más de 100 kilogramos al espacio cislunar, dijo.

Además, TransAstra tiene una variante Omnivore que utiliza agua como propulsor, el absorbente solar sobrecalienta el vapor de agua y libera el gas a través de una boquilla para generar empuje.

La variante basada en agua se puede colocar en los pequeños vehículos de transferencia orbital Worker Bee de la compañía, de los cuales alrededor de 25 pueden caber en un solo cohete Falcon 9, dijo Sercel.

“Cada [Worker Bee] podría enviar hasta seis [satélites] pequeños a sus destinos orbitales. Por lo tanto, podemos ofrecer una constelación completa de 100 [satélites] pequeños o micro para todas las diferentes inclinaciones, y obtendríamos cobertura global en un solo lanzamiento”.

TransAstra ha realizado investigaciones y pruebas en Omnivore utilizando una variedad de propulsores en el laboratorio de la compañía en Los Ángeles, y el objetivo es demostrar el propulsor en órbita en dos años, "tan pronto como obtengamos el último incremento de financiación para que eso suceda, “Dijo Sercel. La compañía se ha sentido alentada por su relación con la Fuerza Espacial hasta el momento, añadió.

"Como empresa privada, a veces es un poco difícil entender exactamente qué está buscando la Fuerza Espacial", dijo. Como parte del premio SBIR, el servicio proporcionó a TransAstra “un representante contratado que es ingeniero en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea para trabajar con nosotros y ayudarnos a encontrar usuarios dentro de la Fuerza Espacial, y creemos que eso ayudará a hacer estas conexiones con el mercado."

La Fuerza Espacial "ha sido brillante y con visión de futuro [en] la forma en que están trabajando de manera diferente con proveedores no tradicionales para utilizar contratos de tipo comercial", continuó. “En lugar de la forma en que ha funcionado la adquisición tradicional por parte del gobierno, que no ha sido muy eficiente, [que] es el gobierno estudia un problema, encuentra una solución y luego les dice a los contratistas cuál es la solución y les pregunta cuánto cuesta.

“En cambio, la Fuerza Espacial está diciendo cuál es el problema y dejando que los innovadores del sector privado encuentren soluciones”, dijo. "Y creemos que eso generará enormes dividendos para el contribuyente". DAKOTA DEL NORTE

Temas:Tecnologías emergentes, Departamento de Defensa

VER TODOS LOS EVENTOS

Por supuesto, la mayor ventaja de la energía nuclear es el hecho de que no es necesario transportar una carga masiva de agua u oxígeno a la órbita para obtener combustible. Un núcleo nuclear puede proporcionar un gran empuje durante mucho tiempo con una fracción de la masa de combustible. En el espacio, preocuparse por la radiactividad no tiene sentido, ya que el espacio ya está cargado de radiactividad y cualquier empuje radiactivo producido por un motor NERVA no tiene significado estadístico.