La revolución nuclear de la NASA: los motores que permitirán llegar a Marte en tiempo récord

Las últimas misiones marcianas de la NASA, el rover Curiosity y el Perseverance, seguidas con especial atención desde España, optaron por la energía nuclear como fuente generadora de energía. El motivo no es otro que su larga duración, su fiabilidad y el mantenimiento mínimo que requiere. Sin embargo, la agencia espacial lleva sin realizar pruebas de motores térmicos nucleares desde hace más de 50 años, cuando trató de lanzar una misión tripulada a Marte como parte del programa NERVA. La espera parece tener fecha de caducidad.

En un reciente anuncio la NASA ha hecho pública su colaboración con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés) para desarrollar una tecnología avanzada de propulsión térmica nuclear que se pondrá a prueba en 2027.

"Los astronautas podrían viajar hacia y desde el espacio profundo más rápido que nunca". Así de esperanzador se mostraba el administrador de la agencia, Bill Nelson, en la conferencia de prensa donde la NASA ha reconocido que aprovechará el programa DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), que DARPA ya había iniciado en 2021 para estudiar la tecnología en órbita.

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De hecho, DARPA será la encargada de desarrollar al completo el vehículo NTR experimental, la nave en la que se utilizará el nuevo propulsor y de operar el cohete en órbita. Por su parte, la NASA trabajará en la fabricación de un motor que aventaja en varios aspectos a los actuales.

Dos motores en uno

Aún se desconoce el tiempo exacto que duraría el viaje de una nave a Marte con este nuevo motor. Pero se estima que un cohete térmico nuclear puede llegar a ser entre dos y cinco veces más eficaz que la propulsión química. Y no solo hablamos de lo que respecta a la duración de la misión, sino que también aumentaría notablemente a la capacidad de carga útil de la nave. Además, con un cohete de estas características se reduciría el riesgo de los astronautas para las próximas misiones tripuladas a Marte.

Vista visionaria de una misión de nave espacial habilitada por propulsión térmica nuclear (NTP). NASA Omicrono

Una de las características de estos motores —en comparación con las tecnologías de propulsión espacial convencionales— es que utilizan un reactor nuclear con el que calentar el propio propulsor a unas temperaturas extremas, para provocar la expulsión que produce el movimiento. Esto les permite ofrecer una elevada relación de empuje y peso. Aproximadamente, la propulsión sería 10.000 veces mayor que la que utilizó en su momento la nave de la misión DART, encargada de desviar un meteorito. 

Quienes conocen este tipo de motores, como es el caso del ingeniero aeroespacial de la Universidad de Florida Ryan Gosse, saben bien que se enfrentan a un gran reto: generar la fuerza necesaria como para acelerar grandes masas en largos períodos de tiempo.

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El propio Gosse se embarcó en una difícil tarea que podría revolucionar la exploración espacial: combinar en un mismo motor la propulsión térmica nuclear (NTP, por sus siglas en inglés) y la propulsión nuclear eléctrica (NEP). Bajo el título Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle, este ingeniero aeroespacial presentó su propuesta a la NASA.

La agencia espacial estadounidense seleccionó la idea de Gosse —y 13 propuestas más— como parte del NIAC, el programa que tiene la NASA destinado al "desarrollo de conceptos avanzados a largo plazo o completamente nuevos". En realidad, no es un concepto nuevo como tal, pero sí que podría suponer un avance, pues con este tipo de motor que usa propulsión dual nuclear térmica y eléctrica (NTP/NEP) se podría llegar a Marte en tan sólo 45 días.

Concepto de motor de propulsión nuclear eléctrica. NASA Omicrono

El avance de este motor no se debe tanto a la duración de su trayectoria sino al traslado de masas que superen la tonelada de peso. Un volumen que se alcanzaría con facilidad en las naves para tripulaciones humanas que establecieran bases temporales o fijas en la superficie marciana, como algunas en las que ya trabaja la NASA.

El sistema bimodal NTP/NEP que propone Gosse se basa en dos tecnologías que han sido probadas con anterioridad. Por un lado, la propulsión nuclear térmica que utiliza un reactor nuclear para convertir el hidrógeno líquido en gaseoso. La propulsión nuclear eléctrica, por su parte, consigue que el reactor genere electricidad acelerando iones a través del propulsor que impulsa a la nave.

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Sin duda, ambos sistemas parten con ventaja respecto a la propulsión química convencional: tienen un mayor impulso específico, mejor eficiencia de combustible y una densidad de energía prácticamente ilimitada.

Eso sí, tanto uno como otro también presentan inconvenientes. Por ejemplo, la fuerza que suministra un motor de propulsión nuclear eléctrica es inferior al nivel que ofrecen los cohetes convencionales y los de propulsión nuclear térmica. Aun así, estos últimos tampoco serían la mejor opción si se realizara una misión espacial que requiriese de un elevado presupuesto de Delta-V, el parámetro que mide el cambio de velocidad que se debe llevar a cabo en una maniobra orbital.

Concepto de la nave con motor de fusión nuclear. ITER Omicrono

De esta forma, el modelo que propone Gosse pretende suprimir las limitaciones de ambos métodos de propulsión para diseñar un motor bimodal basado en un reactor NERVA (acrónimo en inglés de Motor Nuclear para la Aplicación en Vehículos Cohete) que tenga el doble de rendimiento que los cohetes actuales.

Para conseguirlo, no sólo utilizaría un reactor nuclear térmico, sino que también —como indica en el título de su propuesta— incluiría un sobrealimentador de ondas de presión. El también conocido como rotor de ondas (WR, por sus siglas en inglés) se utiliza en motores de combustión interna en los que se aprovechan las ondas de presión para comprimir el aire de admisión.

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Al combinarse con un motor de propulsión nuclear térmica, el WR utilizaría la presión creada por el calentamiento del combustible en el reactor para comprimir aún más la masa de reacción del propelente.

Traducido en tiempo, significaría que una misión tripulada a Marte con el motor diseñado por Gosse tardaría 45 días. Esta tecnología también reduciría el tiempo transcurrido entre lanzamientos. Con la propulsión convencional, las misiones a Marte se lanzan cada más de dos años —cuando la Tierra y Marte se encuentran más cerca—, y pasan de seis a nueve meses hasta que se produce el amartizaje.

Superficie de Marte. NASA Omicrono

Además, rebajar la duración también supondría una menor exposición a los riesgos de salud que ya de por sí acarrea una misión en Marte, tanto por su radiación como por el estar en un ambiente de microgravedad.

Desafiar las leyes naturales

Pese a encontrarse en una primera fase de desarrollo, Gosse ya considera que su diseño bimodal "revoluciona la exploración del espacio profundo de nuestro sistema solar". Aunque en esta revolución el ingeniero aeroespacial no está solo.

De hecho, Estados Unidos no es el único país —ni esta es su primera vez— que ha apostado por la energía nuclear como el futuro de las misiones espaciales. Con el permiso de Rusia, China ya cuenta con un plan para colonizar la Luna.

Gracias a un nuevo reactor nuclear de fisión diseñado para ir a bordo de naves espaciales, el gigante asiático podría generar un megavatio: una cantidad de energía suficiente como para alimentar 10 Estaciones Espaciales Internacionales.

Representación de colonia en la Luna Agencia Espacial Europea

Más allá de China, Rusia ha sido el país que más reactores nucleares ha mandado al espacio exterior superando las 30 unidades, según la Asociación Nuclear Mundial. Mientras, Estados Unidos tan solo ha enviado uno, en 1965.

En esta revolución nuclear de las naves espaciales Reino Unido también pretende hacerse un hueco. Así lo demostraba a finales del pasado año cuando, a través de un anuncio de su Agencia Espacial (UKSA), comunicaba su apoyo económico e institucional a Pulsar Fusion.

Representación de cohete con motor de fusión nuclear Pulsar Fusion

El motor patentado por Rolls Royce se basa en un reactor de fusión compacto que proporcionará potencia del orden de unidades de megavatio con empujes de entre 10 y 101 newton, sirviendo además como generador auxiliar al resto de sistemas a bordo.

Conocidos en inglés como motores breakthrough, estos sistemas de propulsión pretenden revolucionar todo lo relacionado con la exploración espacial para —quién sabe si algún día— llegar a planetas lejanos en cuestión de semanas.

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