Así funciona un motor nuclear como el de la NASA para llegar a Marte
Los motores cohete son por diseño sustancialmente más sencillos que uno para aviación, o para coche. En parte porque no hay que tenerlos abiertos para que entre oxígeno en la mezcla, va en su interior. Pero su complejidad reside en conseguir que los gases vayan lo suficientemente rápido, que es donde se encuentra toda la dificultad.
La segunda ley de Newton
Para entender el funcionamiento de un motor cohete es imprescindible visualizar la segunda ley de Newton. Aunque las tres estén interconectadas, es posible obviar el resto para este reportaje porque simplemente es un tema completamente diferente.
La segunda ley dicta que cada acción tiene una reacción igual y opuesta.
Es decir, si lanzas hidrógeno hacia atrás, eso producirá una fuerza que impulsará tu nave hacía adelante. ¿Con cuánta fuerza? Con la misma que hayas expulsado el hidrógeno hacia atrás.
Y aquí entra en juego la definición de fuerza. La mejor forma de definir un concepto físico es a través de la fórmula desde la cual se calcula:
Fuerza = Masa x Aceleración
Desafortunadamente, la humanidad aún no dispone de la tecnología para cambiar la masa de un elemento mediante un proceso industrial. Por tanto, para lograr que más fuerza se aplique en nuestro cohete, y más energía podamos obtener, es necesario acelerar el combustible.
Quemar acelera las cosas
La forma más habitual de acelerar el combustible es quemarlo. Se hace reaccionar un combustible con un oxidante y esa combustión crea unos gases que viajan muy rápido. De hecho, dependiendo del combustible empleado, pueden superar los 4 km/s en los motores actuales.
Realmente no es quemar el combustible lo que lo acelera, sino calentarse. Y eso se consigue al expandir el combustible, que no necesariamente necesita quemarse, solo una forma de subir la temperatura de forma muy notable. Para eso actualmente hay dos formas, quemarlo o ionizar mediante electricidad. Esta forma de propulsión es extremadamente eficiente, pero debido a que la masa acelerada es diminuta, la fuerza resultante, es equivalente. Por eso es muy habitual en satélites, menos en sondas interplanetarias y directamente es inviable para vuelos tripulados, los cambios de órbita tardarían demasiado.
El único problema de la propulsión iónica es que tampoco funciona nada bien al alejarse del Sol. Consume mucha electricidad para poder generar ese impulso, y la energía que llega de él decae al alejarse.
Tipos de propulsión nuclear
Hay tres principales tipos de propulsión nuclear pero realmente solo uno de ellos se estudia actualmente en profundidad.
La más loca, es la propuesta del proyecto Orion, no confundir con la homónima cápsula que actualmente usa la NASA para el regreso a la Luna. Esta es una de esas ideas de principios de la carrera espacial que seguirán mencionándose en décadas por venir por sus disparatados desarrollos. Esta ocasión la propulsión era nuclear, pero sin motor.
El plan consistía en lanzar a órbita una nave espacial llena de bombas nucleares. Para impulsarse la nave las lanzaría hacía atrás y las detonaría cerca de una placa situada en el final de la nave. Esa placa serviría para maximizar el área de impacto del arma. Y aunque no use combustible, y tampoco aplique como tal la segunda ley de Newton, esta fue una de las primeras propuestas para emplear la energía nuclear en el espacio para desplazarse, explotar bombas nucleares.
La versión más adulterada de la energía nuclear para propulsión en el espacio es alimentar motores iónicos. Se trata de un uso derivado, pero se les sigue llamando motores nucleares, específicamente propulsión eléctrica nuclear. Esto permite emplear motores más grandes, que usen más masa y hacerlo independientemente de la distancia al Sol.
Sin embargo, los problemas que presenta son mayores que la que emplea paneles solares y baterías y realmente en la actualidad no hay muchos avances serios en este sentido. Ayuda la gran mejora que experimentan aún hoy en día los paneles solares y lo baratos que resultan. Por otro lado, son más fáciles de implementar porque toda la tecnología ya existe, solo es necesario realizar algunos acondicionamientos al reactor nuclear.
Un motor de este tipo voló al espacio en 1965 por parte de Estados Unidos, fue el único reactor nuclear estadounidense en ir al espacio, no así al otro lado del telón de acero. La Unión Soviética lanzó una docena de ellos, pero dedicados a la generación de energía eléctrica exclusivamente.
La propulsión nuclear por antonomasia
Sin embargo, la versión más avanzada y de aproximadamente la misma época que el proyecto Orion es la propulsión nuclear térmica. En esta se hace uso de un reactor nuclear que calienta el combustible, acelerándolo hasta velocidades de 8km/s, el doble que un motor convencional. En estos casos se pierde un poco de masa del combustible porque el hidrógeno no se mezcla con el oxígeno, pero la diferencia de velocidad de los gases es tan alta que no es relevante.
La NASA trabaja con la DARPA, la agencia de proyectos avanzados del ejército estadounidense en lanzar el primer motor de este tipo antes de 2030, no debería costarles cumplir. El motor DRACO no es probable que alcance la producción en serie, pero permitirá hacerlo a otros diseños en el futuro.
Es muy reseñable, que en pleno apogeo de gasto espacial ya se desarrolló un proyecto de este tipo de propulsor. NERVA fue el primer motor nuclear de la historia, se construyeron bastantes unidades de prueba y casi todos superaron pruebas muy exigentes. Aunque, en una ocasión, en un accidente bastante importante una parte del combustible nuclear acabó expulsado por la tobera y contaminó la zona.
La propulsión nuclear espacial es segura, ese es el primer punto de esta conclusión. Se han lanzado, lanzan y lanzarán artefactos nucleares al espacio con regularidad. Y para evitar daños tras los posibles accidentes durante el lanzamiento, existen medidas que se toman. Por otro lado, es penoso que 60 años después de las primeras pruebas del NERVA, no haya habido ningún otro avance serio en una pieza que puede ser fundamental para los viajes a Marte y más allá.