Ad Astra: El futuro de la tecnología de propulsión

¿Es de extrañar por qué los ingenieros aeronáuticos, los planificadores de misiones y los futuristas han soñado con el día en que ya no se necesiten los cohetes convencionales? Se ha investigado mucho sobre esta idea, algunas datan incluso de antes de que comenzara la era espacial.

Ecuación del cohete

No importa cuán lejos hayamos llegado con la tecnología, los cohetes siempre estarán sujetos a la tiranía de la ecuación de cohetes.

La parte fundamental de la ciencia aeronáutica se atribuye comúnmente al científico espacial ruso-soviético Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), quien lo publicó en 1903 (aunque otros científicos lo derivaron de forma independiente antes y después).

Esta ecuación describe el movimiento de los vehículos que expulsan parte de su masa para generar empuje. Esto se puede representar matemáticamente como:

Donde delta (Δ) es el cambio de velocidad ( v ), ve es la velocidad de escape, ln es el logaritmo natural, I _sp es la eficiencia del empuje generado (impulso específico), g ₀ es la fuerza de gravedad, m ₀ es la masa inicial (incluido el propulsor), y m _f es la masa “seca” (sin propulsor).

Esta ecuación se ha utilizado durante casi setenta años para calcular la masa seca de un cohete y el combustible necesario para enviar cargas útiles al espacio.

Un círculo vicioso

En pocas palabras, hay una gran desventaja en esta ecuación. Desde el comienzo de la era espacial, todos los cohetes que se han fabricado han sido principalmente propulsores en masa.

Para ilustrar, considere los cohetes más poderosos del mundo: el Sistema de lanzamiento espacial (SLS) de la NASA y el Starship & Super Heavy de SpaceX .

Mientras que el SLS pesa 188 000 lb (85 275 kg) cuando no está cargado de combustible, su masa aumenta a 5,75 millones de lb (2,6 millones de kg) una vez que está cargado y listo para el lanzamiento. Mientras tanto, el sistema de lanzamiento de Starship tiene una masa seca de 170 000 lb (77 110 kg) frente a una “masa húmeda” de 11 millones de lb (~5 millones de kg).

Haciendo los cálculos, esto significa que más del 96% del peso total del SLS consiste en propulsor. Peor aún, el peso de un Starship & Super Heavy lleno de combustible y apilado es cercano al 98,5% de propulsor.

Ahora considere las cargas útiles que estos sistemas de lanzamiento pueden enviar a la órbita terrestre baja (LEO). Para el SLS, eso es 209 439 lb (95 000 kg) y de 200 000 a 300 000 lb (90 718,5 a 136 078 kg) para el Starship . Comparando esto con su peso con el combustible completo, vemos que el SLS y el Starship pueden desplegar solo el 3,65 % y el 2,72 % de su masa en LEO (respectivamente).

Y tenga en cuenta que esto es simplemente para enviar cargas útiles a LEO. Para enviar carga y tripulación a la Luna, Marte o cualquier otro lugar del Sistema Solar, los cohetes deben generar aún más empuje, lo que significa que las cargas útiles deben ser más pequeñas. Entonces, para misiones más allá de la Tierra, una fracción aún más pequeña de la masa total de un cohete puede ser carga útil.

En esencia, cuanto mayor sea la carga útil, más grande debe ser el cohete. Cuanto más grande es el cohete, más masivo se vuelve. Cuanto más masivo se vuelve, más propulsor necesita para llegar al espacio. Cuanto más propulsor necesita, más masivo se vuelve. Es un círculo vicioso y tampoco demasiado eficiente.

Y esto también se aplica a las misiones una vez que llegan al espacio. Para garantizar que la masa de una nave espacial no sea demasiado grande, los diseñadores de naves espaciales y los planificadores de misiones limitan la cantidad de propulsores químicos utilizados.

La mayoría de las veces, los propulsores de las naves espaciales dependerán de propulsores químicos sólidos. Estos pueden proporcionar muchos empujes, pero su suministro limitado significa que deben usarse con moderación y solo para correcciones de rumbo y maniobras.

Afortunadamente, hay alternativas, algunas de las cuales están en la mesa de dibujo en este momento.

Propulsión Nuclear

Durante la era espacial temprana, los científicos reconocieron el potencial para unir la energía nuclear y los vuelos espaciales.

En un momento en que la investigación avanzada estaba conduciendo al progreso simultáneo con bombas nucleares, reactores nucleares y cohetes, los científicos vieron aplicaciones para el uso pacífico de la energía nuclear.

Entre 1963 y 1972, estos esfuerzos dieron sus frutos con la creación del Motor nuclear para aplicaciones de vehículos cohete (NERVA) , un reactor nuclear de núcleo sólido de fisión lenta diseñado para misiones espaciales tripuladas de largo alcance a la Luna o destinos interplanetarios.

La Unión Soviética también investigó la tecnología, que produjo el  RD-0410 , un motor de cohete térmico nuclear desarrollado desde 1965 hasta la década de 1980.

Estos reactores estaban destinados a formar parte de un sistema de propulsión térmica nuclear (NTP), donde el calor generado por la descomposición lenta de los isótopos radiactivos se usa para calentar hidrógeno líquido o combustible de deuterio. Esto hace que se expanda el combustible, que se dirige a través de las toberas para generar empuje. Entre 1972 y la actualidad, se propusieron varios conceptos para NTP y la tecnología sigue siendo la aplicación más investigada.

En 2017, la NASA renovó sus intentos de crear un sistema NTP a través de su Programa de Desarrollo de Cambio de Juego . En 2023, la NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) anunciaron unesfuerzo conjunto para desarrollar un concepto NTP llamado Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). Esto culminará con una demostración del DRACO en órbita, que se espera que ocurra a principios de 2027.

Desde el cambio de siglo, también ha habido propuestas para la Propulsión Nuclear-Eléctrica (NEP). Este método consiste en un reactor nuclear que genera energía eléctrica para un propulsor de efecto Hall o motor iónico, que ioniza un gas inerte (como el xenón) y dirige las partículas cargadas a través de toberas para producir empuje.

Los esfuerzos para realizar un sistema NEP incluyeron el Proyecto Prometeo , lanzado por la NASA en 2003. Este proyecto produjo el Júpiter Icy Moons Orbiter (JIMO), una propuesta para una nave espacial NEP sin tripulación que exploraría tres de las lunas más grandes de Júpiter, Europa, Ganímedes y Calisto. . La propuesta fue pasada por alto en 2005 a favor del Programa Constelación .

A lo largo de este mismo período, se han realizado propuestas de “ conceptos bimodales ”, que se basan tanto en los sistemas NTP como en los NEP. Tanto NTP como NEP ofrecen múltiples ventajas sobre los cohetes químicos tradicionales. Entre ellos, hay una mayor densidad de energía, donde un reactor nuclear puede extraer mucha más energía por libra que los propulsores químicos.

Además, NTP ofrece el doble de eficiencia que los cohetes químicos, mientras que NEP es de 5 a 10 veces más eficiente. Esta mayor eficiencia permite que los vehículos NTP o NEP se fabriquen entre un tercio y la mitad del tamaño de los vehículos convencionales.

El famoso ingeniero, tecnólogo de la NASA, experto en vuelos espaciales y autor Les Johnson resumió el potencial de la propulsión nuclear a Interesting Engineering por correo electrónico:

“Usar un cohete de fisión para llegar desde el espacio cercano a la Tierra (¡no de la tierra al espacio!) reduciría la carga de propulsor requerida en un 50 %, lo cual es significativo ya que el propulsor para una misión de ida y vuelta a Marte sería el elemento más pesado lanzado y los costos de lanzamiento dependen de la masa. También reduciría el tiempo de viaje y proporcionaría más flexibilidad en las ventanas de lanzamiento, lo que haría que la misión fuera más resistente a posibles problemas técnicos y retrasos asociados. Para las misiones humanas en el Sistema Solar interior alrededor de Júpiter, la energía térmica nuclear (fisión) la propulsión cambia las reglas del juego”.

Propulsión de fusión

Más allá de las aplicaciones nucleares, varios métodos de propulsión son posibles utilizando la tecnología actual. Estos incluyen la propulsión de pulso nuclear (NPP), un método investigado a través del Proyecto Orión entre 1958 y 1963. El proyecto fue supervisado por el físico Ted Taylor de General Atomics y el famoso físico Freeman Dyson (quien propuso la Esfera Dyson).

El concepto requiere una nave espacial masiva cargada con cientos (o miles) de dispositivos nucleares. Estos se liberan periódicamente desde la sección de popa de la nave espacial y se detonan, creando ondas de choque que son absorbidas por una placa de presión montada en la parte trasera.

Esta placa transforma las ondas de choque en un impulso de avance para la nave espacial, acelerándola a una velocidad relativista (una velocidad lo suficientemente grande como para hacer que la masa de un cuerpo sea mayor que su masa en reposo; se expresa como una proporción de la velocidad de la luz).

El proyecto fue abandonado en 1963 con la aprobación del Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares (PTBT), que prohibía probar dispositivos nucleares en el espacio. Sin embargo, el concepto ha resurgido a lo largo de los años y todavía se considera un medio potencial para realizar una misión interestelar.

Poco después, los científicos comenzaron a investigar la propulsión por fusión a través del Proyecto Daedalus , realizado entre 1973 y 1978 por la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS). Este proyecto se basó en el trabajo del Proyecto Orión y, de manera similar, imaginó lograr una velocidad relativista a través de pulsos nucleares.

Sin embargo, esto se lograría mediante la fusión por confinamiento interno, donde los rayos de electrones bombardeaban pequeñas bolitas de deuterio y helio-3 en una cámara de combustión. Esto desencadenaría reacciones similares a pequeñas explosiones termonucleares. El plasma resultante sería confinado y canalizado por un poderoso campo magnético para producir un poderoso empuje.

La idea fue recogida en 2009 por Icarus Interstellar , una organización internacional compuesta por miembros de la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS) y la Fundación Tau Zero (TZF), expertos voluntarios y científicos ciudadanos. Entre 2009 y 2019, investigaron una versión reducida de Daedalus llamada Project Icarus .

También está el Bussard Ramjet , un concepto de fusión propuesto en 1960 por el físico Robert W. Bussard y popularizado en la famosa novela de ciencia ficción de 1970 Tau Zero de Poul Anderson.

En este caso, una nave espacial que genere potentes campos magnéticos canalizaría hidrógeno desde el medio interestelar (ISM) hacia una cámara de confinamiento magnético, comprimiéndolo hasta que se produzca la fusión nuclear.

Si bien son prometedores, estos conceptos son prohibitivamente costosos según nuestros estándares actuales. Esto incluye la construcción, que debe realizarse en el espacio para evitar los costos extremos de poner en órbita todos los componentes prefabricados. En segundo lugar, el coste de fabricación del combustible sería igualmente prohibitivo dada la rareza del deuterio y el helio-3. Dr. Johnson dijo:

“La propulsión de fusión sería verdaderamente revolucionaria y abriría el sistema solar para la exploración y el asentamiento humanos. Antes de que podamos considerar seriamente un cohete de fusión, primero debemos demostrar que los reactores de fusión pueden operar en tierra y producir consistentemente mucha más energía de la que requieren para iniciar la reacción de fusión. Si bien varios esfuerzos de ingeniería parecen estar cerca de generar energía neta positiva, deben ser capaces de crear mucha más energía de la que consumen, un objetivo que aún no está ni cerca de cumplirse. Luego está el problema de escala: todo el reactor de fusión tendría que ser miniaturizado para que quepa en una nave espacial”.

Sin embargo, la física detrás de estas propuestas es sólida, y los conceptos podrían realizarse algún día, siempre que sea posible el ensamblaje en el espacio y se obtengan fuentes adicionales de deuterio y helio-3.

En conjunto, los métodos de propulsión que se basan en la fisión o fusión nuclear se consideran el futuro de los vuelos espaciales. Sin embargo, estos conceptos son solo una parte de una constelación de conceptos mucho más grande.

Con cada avance en la física, se proponen nuevas ideas, se reconsideran las viejas y se hacen nuevos intentos para realizarlas.