El sistema solar es un lugar realmente grande, y se tarda una eternidad en viajar de un mundo a otro con los tradicionales cohetes químicos. Pero una técnica desarrollada en la década de 1960 podría proporcionar una forma de acortar drásticamente nuestros tiempos de viaje:los cohetes nucleares.

Por supuesto, lanzar un cohete propulsado por material radiactivo tiene sus propios riesgos, así como. ¿Deberíamos intentarlo?

Digamos que querías visitar Marte usando un cohete químico. Despegarías de la Tierra y entrarías en órbita terrestre baja. Luego, en el momento adecuado, dispararías tu cohete, elevando su órbita del sol. La nueva trayectoria elíptica que estás siguiendo se cruza con Marte después de ocho meses de vuelo.

Esto se conoce como transferencia de Hohmann, y es la forma más eficiente que conocemos de viajar en el espacio utilizando la menor cantidad de propulsor y la mayor cantidad de carga útil. El problema, por supuesto, es el tiempo que lleva. A lo largo del viaje los astronautas consumirán alimentos, agua, aire, y estar expuesto a la radiación a largo plazo del espacio profundo. Luego, una misión de retorno duplica la necesidad de recursos y duplica la carga de radiación.

Necesitamos ir más rápido.

Resulta que la NASA ha estado pensando en lo que viene después de los cohetes químicos durante casi 50 años:cohetes térmicos nucleares. Definitivamente aceleran el viaje, pero no están exentos de sus propios riesgos, por eso no los has visto. Pero tal vez su tiempo esté aquí.

En 1961, La NASA y la Comisión de Energía Atómica trabajaron juntos en la idea de la propulsión térmica nuclear, o NTP. Esto fue iniciado por Werner von Braun, que esperaba que las misiones humanas volaran a Marte en la década de 1980 en las alas de los cohetes nucleares.

Bien, eso no sucedió. Pero realizaron algunas pruebas exitosas de propulsión térmica nuclear y demostraron que funciona.

Un cohete químico funciona encendiendo algún tipo de químico inflamable y luego expulsando los gases de escape por una boquilla. Gracias a la tercera ley de Newton, por cada acción, hay una reacción igual y opuesta:el cohete recibe un empuje en la dirección opuesta de los gases expulsados.

Un cohete nuclear funciona de manera similar. Una bola de combustible de uranio del tamaño de una canica sufre fisión, liberando una enorme cantidad de calor. Esto calienta el hidrógeno a casi 2, 500 grados centígrados, que luego es expulsado por la parte posterior del cohete a una velocidad extremadamente alta, dando al cohete dos o tres veces la eficiencia de propulsión de un cohete químico.

¿Recuerdas los ocho meses que mencioné para que un cohete químico viajara a Marte? Un cohete térmico nuclear podría reducir el tiempo de tránsito a la mitad, tal vez incluso hasta 100 días, lo que significa menos recursos consumidos por los astronautas, y una carga de radiación más baja.

Y hay otro gran beneficio. El empuje de un cohete nuclear podría permitir misiones cuando la Tierra y Marte no están perfectamente alineados. Ahora, si pierdes tu ventana, tienes que esperar otros dos años, pero un cohete nuclear podría darle el impulso necesario para hacer frente a los retrasos en los vuelos.

Las primeras pruebas de cohetes nucleares comenzaron en 1955 con el Proyecto Rover en el Laboratorio Científico de Los Alamos. El desarrollo clave fue miniaturizar los reactores lo suficiente como para caber en un cohete. En los próximos años, Los ingenieros construyeron y probaron más de una docena de reactores de diferentes tamaños y potencias.

Con el éxito de Project Rover, La NASA puso su mirada en las misiones humanas a Marte que seguirían a los aterrizadores Apolo en la luna. Debido a la distancia y el tiempo de vuelo, decidieron que los cohetes nucleares serían la clave para hacer que las misiones fueran más capaces.

Los cohetes nucleares no están exentos de riesgos, por supuesto. Un reactor a bordo sería una pequeña fuente de radiación para la tripulación de astronautas a bordo, esto sería compensado por la reducción del tiempo de vuelo. El espacio profundo en sí mismo es un enorme peligro de radiación, con la constante radiación cósmica galáctica que daña el ADN del astronauta.

A finales de la década de 1960, La NASA estableció el programa de Aplicación de Motores Nucleares para Vehículos Cohetes, o NERVA, desarrollando las tecnologías que se convertirían en los cohetes nucleares que llevarían a los humanos a Marte.

Probaron más grande, cohetes nucleares más potentes, en el desierto de Nevada, ventilar el gas hidrógeno de alta velocidad directamente a la atmósfera. Las leyes ambientales eran mucho menos estrictas en ese entonces.

El primer NERVA NRX finalmente se probó durante casi dos horas, con 28 minutos a plena potencia. Y un segundo motor se puso en marcha 28 veces y funcionó durante 115 minutos.

Al terminar, probaron el reactor nuclear más poderoso jamás construido, el reactor Phoebus-2A, capaz de generar 4, 000 megavatios de potencia, empujando durante 12 minutos.

Aunque los diversos componentes nunca se ensamblaron en realidad en un cohete listo para volar, Los ingenieros estaban satisfechos de que un cohete nuclear satisfaría las necesidades de un vuelo a Marte. Pero luego Estados Unidos decidió que ya no quería ir a Marte, queríamos el transbordador espacial en su lugar. El programa se cerró en 1973, y nadie ha probado cohetes nucleares desde entonces.

Pero los avances tecnológicos recientes han hecho que la propulsión térmica nuclear sea más atractiva. En la década de 1960, la única fuente de combustible que podían utilizar era el uranio altamente enriquecido. Pero ahora, los ingenieros creen que pueden arreglárselas con uranio poco enriquecido.

Sería más seguro trabajar con esto, y permitiría que más instalaciones de cohetes realicen pruebas. También sería más fácil capturar las partículas radiactivas en el escape y eliminarlas adecuadamente. Eso reduciría los costos generales de trabajar con la tecnología.

El 22 de mayo 2019, el Congreso de los Estados Unidos aprobó $ 125 millones en fondos para el desarrollo de cohetes de propulsión térmica nuclear. Aunque este programa no tiene ningún papel que desempeñar en el regreso de Artemis 2024 a la luna de la NASA, "pide a la NASA que desarrolle un plan plurianual que permita una demostración de propulsión térmica nuclear, incluyendo el cronograma asociado con la demostración espacial y una descripción de futuras misiones y sistemas de propulsión y energía habilitados por esta capacidad ".

La fisión nuclear es una forma de aprovechar el poder del átomo. Por supuesto, requiere uranio enriquecido y genera desechos radiactivos tóxicos. ¿Qué pasa con la fusión? en el que los átomos de hidrógeno se comprimen en helio, liberando energía?

El sol ha funcionado la fusión, gracias a su enorme masa y temperatura central, pero ingeniería sustentable, La fusión de energía positiva ha resultado esquiva.

Enormes experimentos como el ITER en Europa esperan mantener la energía de fusión en la próxima década más o menos. Después, puede imaginarse los reactores de fusión miniaturizados hasta el punto de que pueden desempeñar el mismo papel que un reactor de fisión en un cohete nuclear. Pero incluso si los ingenieros no pueden llevar los reactores de fusión al punto en que sean energéticamente positivos, todavía pueden proporcionar una tremenda aceleración para la cantidad de masa.

Y tal vez no necesitemos esperar décadas. Un grupo de investigación del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton está trabajando en un concepto llamado Direct Fusion Drive, que creen que podría estar listo mucho antes.

Se basa en el reactor de fusión Princeton Field-Reversed Configuration desarrollado en 2002 por Samuel Cohen. El plasma caliente de helio-3 y deuterio está contenido en un recipiente magnético. El helio-3 es raro en la Tierra, y valioso porque tales reacciones de fusión no generarán la misma cantidad de radiación peligrosa o desechos nucleares que otros reactores de fusión o fisión.

Al igual que con el cohete de fisión, un cohete de fusión calienta un propulsor a altas temperaturas y luego lo lanza por la parte trasera, produciendo empuje.

Funciona alineando un montón de imanes lineales que contienen y hacen girar plasma muy caliente. Las antenas alrededor del plasma están sintonizadas a la frecuencia específica de los iones, y crear una corriente en el plasma. Su energía se bombea hasta el punto en que los átomos se fusionan, liberando nuevas partículas. Estas partículas deambulan por el campo de contención hasta que son capturadas por las líneas del campo magnético y salen aceleradas por la parte trasera del cohete.

En teoria, un cohete de fusión sería capaz de proporcionar de 2,5 a 5 Newtons de empuje por megavatio, con un impulso específico de 10, 000 segundos:recuerda 850 de los cohetes de fisión, y 450 de cohetes químicos. También estaría generando la electricidad que necesita la nave espacial lejos del sol, donde los paneles solares no son muy eficientes.

Una unidad de fusión directa sería capaz de llevar una misión de 10 toneladas a Saturno en solo dos años, o una nave espacial de una tonelada de la Tierra a Plutón en unos cuatro años. New Horizons necesitaba casi 10.

Dado que también es un reactor de fusión de un megavatio, también proporcionaría energía para todos los instrumentos de la nave espacial cuando llegue, mucho más que las baterías nucleares que llevan actualmente las misiones del espacio profundo como la Voyager y New Horizons.

Imagine the kinds of interstellar missions that might be on the table with this technology. And Princeton Satellite Systems isn't the only group working on systems like this. Applied Fusion Systems have applied for a patent for a nuclear fusion engine that could provide thrust to spacecraft.

I know it's been decades since NASA seriously tested nuclear rockets as a way to shorten flight times, but it looks like the technology is back. En los próximos años, I expect to see new hardware and new tests of nuclear thermal propulsion systems. And I am incredibly excited at the possibility of actual fusion drives taking us to other worlds.