La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (Darpa) ha encargado recientemente a tres empresas privadas, Origen azul, Lockheed Martin y General Atomics, desarrollar cohetes térmicos de fisión nuclear para su uso en órbita lunar.

Tal desarrollo, si se vuela, podría marcar el comienzo de una nueva era de vuelos espaciales. Dicho eso es sólo una de las muchas avenidas emocionantes de la propulsión de cohetes. Éstos son algunos otros.

Cohetes químicos

El medio estándar de propulsión para naves espaciales utiliza cohetes químicos. Hay dos tipos principales:de combustible sólido (como los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial), y de combustible líquido (como el Saturn V).

En ambos casos, se emplea una reacción química para producir un muy caliente, gas altamente presurizado dentro de una cámara de combustión. La boquilla del motor proporciona la única salida para este gas que, en consecuencia, se expande fuera de ella. proporcionando empuje.

La reacción química requiere un combustible, como hidrógeno líquido o aluminio en polvo, y un oxidante (un agente que produce reacciones químicas) como el oxígeno. Hay muchas otras variables que, en última instancia, también determinan la eficiencia de un motor de cohete. y los científicos e ingenieros siempre buscan obtener más empuje y eficiencia de combustible con un diseño dado.

Recientemente, La empresa privada SpaceX ha estado realizando vuelos de prueba de su prototipo de lanzador Starship. Este vehículo utiliza un motor de combustión por etapas de flujo completo (FFSC), "el Raptor, que quema metano como combustible y oxígeno como oxidante. Tales diseños fueron probados por los rusos en la década de 1960 y el gobierno de EE. UU. En la década de 2000. pero hasta ahora ninguno ha volado al espacio. Los motores son mucho más eficientes en combustible y pueden generar una relación empuje / peso mucho más alta que los diseños tradicionales.

Cohetes térmicos de fisión

El núcleo de un átomo consta de partículas subatómicas llamadas protones y neutrones. Estos determinan la masa de un elemento:cuantos más protones y neutrones, cuanto más pesado es. Algunos núcleos atómicos son inestables y pueden dividirse en varios núcleos más pequeños cuando se bombardean con neutrones. Este es el proceso de fisión nuclear, y puede liberar una enorme cantidad de energía. A medida que los núcleos se desintegran, también liberan más neutrones que continúan fisurando más átomos, produciendo una reacción en cadena.

En un cohete térmico de fisión nuclear, un gas propulsor, como el hidrógeno, se calienta por fisión nuclear a altas temperaturas, creando un gas a alta presión dentro de la cámara del reactor. Como con los cohetes químicos esto solo puede escapar a través de la boquilla del cohete, nuevamente produciendo empuje. No se prevé que los cohetes de fisión nuclear produzcan el tipo de empuje necesario para elevar grandes cargas útiles desde la superficie de la Tierra al espacio. Sin embargo, una vez en el espacio, Son mucho más eficientes que los cohetes químicos:para una masa determinada de propulsor, pueden acelerar una nave espacial a velocidades mucho más altas.

Los cohetes de fisión nuclear nunca han volado en el espacio, pero han sido probados sobre el terreno. Deberían poder acortar los tiempos de vuelo entre la Tierra y Marte de unos siete meses a unos tres meses para futuras misiones tripuladas. Inconvenientes evidentes, sin embargo, incluir la producción de desechos radiactivos, y la posibilidad de una falla en el lanzamiento que podría dar lugar a que el material radiactivo se esparciera por una amplia zona.

Un gran desafío de ingeniería es miniaturizar lo suficiente un reactor para que quepa en una nave espacial. Ya existe una industria floreciente en la producción de reactores de fisión compactos, incluido el desarrollo de un reactor de fisión que es más pequeño que un ser humano adulto.

Propulsión eléctrica

Un elemento básico de la ciencia ficción, los impulsores de iones reales generan partículas cargadas (ionización), acelerarlos usando campos eléctricos y luego dispararlos desde un propulsor. El propulsor es un gas como el xenón, un elemento bastante pesado que se puede cargar eléctricamente fácilmente.

A medida que los átomos cargados de xenón se aceleran fuera del propulsor, transfieren una cantidad muy pequeña de impulso (el producto de la masa y la velocidad) a la nave espacial, proporcionando un empuje suave. Mientras lento, Los impulsores de iones se encuentran entre los métodos de propulsión de naves espaciales más eficientes en el consumo de combustible, por lo que podría llevarnos más lejos. Los impulsores de iones se usan comúnmente para el control de actitud (cambiar la dirección en la que se dirige una nave espacial) y se han considerado para desorbitar satélites antiguos.

Los motores de iones actuales funcionan con células solares, haciéndolos efectivamente alimentados por energía solar, y requiere muy poco propulsor. Se han utilizado en la misión SMART-1 de Esa a la Luna y en la misión Bepi-Colombo en ruta a Mercurio. La NASA está desarrollando actualmente un sistema de propulsión eléctrica de alta potencia para el Lunar Gateway, un puesto de avanzada que orbitará la Luna.

Velas solares

Si bien la propulsión generalmente requiere un propulsor de alguna descripción, un método más "verde" que se basa únicamente en la luz del sol.

Las velas se basan en la propiedad física de la conservación del impulso. En la tierra, estamos acostumbrados a ver este impulso como una presión dinámica de las partículas de aire que soplan en una hoja al navegar, propulsar un buque hacia adelante. La luz se compone de fotones, que no tienen masa, pero tienen impulso y pueden transferirlo a una vela. Como las energías de los fotones individuales son muy pequeñas, se necesita un tamaño de vela extremadamente grande para cualquier aceleración apreciable.

La ganancia de velocidad también dependerá de qué tan lejos del Sol se encuentre. En la tierra la potencia recibida de la luz solar es de aproximadamente 1,3 kW por metro cuadrado. Si tuviéramos una vela del tamaño de un campo de fútbol, esto equivaldría a 9,3 MW, proporcionando una aceleración muy baja, incluso a un objeto de baja masa.

Las velas solares han sido probadas por la nave espacial japonesa IKAROS que voló con éxito por Venus, y la Sociedad Planetaria Lightsail-2, que actualmente está en órbita alrededor de la Tierra.

Una forma de mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de la vela es utilizar un láser para impulsar la nave espacial hacia adelante. Los láseres producen haces de fotones muy intensos que pueden dirigirse hacia una vela para proporcionar una aceleración mucho mayor. pero requeriría construirse en órbita terrestre para evitar la pérdida de intensidad en la atmósfera. Los láseres también se han propuesto como un medio para desorbitar la basura espacial:la luz del láser puede ralentizar una pieza de basura orbital. que luego se saldría de órbita y se quemaría en la atmósfera.

El desarrollo de cohetes de fisión nuclear puede excitar a algunos y preocupar a otros. Sin embargo, A medida que las empresas privadas y las agencias espaciales nacionales se comprometen cada vez más con una presencia humana sostenida en el espacio, Estos medios alternativos de propulsión se volverán más comunes y tendrán el potencial de revolucionar nuestra naciente civilización espacial.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.