En 1980, Voyager 1 visitó Saturno—su última parada antes de salir del sistema solar. Crédito de la imagen: DOE.

Mas allá de los planetas del sistema solar comienza una región fría y vacía en la que el Voyager 1 continúa su viaje de exploración de 25 años. Se dirige a la heliopausa, ese límite en que termina la influencia del sol y comienza la oscuridad del espacio interestelar. Desde donde se encuentra el Voyager el Sol no es mas que la estrella más brillante del cielo — siete mil veces más débil de cómo lo vemos desde la Tierra.

El Voyager no tiene paneles solares; de nada le servirían tan lejos del Sol. La nave funciona con su propia fuente de poder, uno de los primeros generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG por sus siglas en inglés), que convierte el calor generado por el decaimiento natural del combustible radiactivo en electricidad. Su RTG proveerá de energía al Voyager 1 al menos hasta el 2020.|

Las naves espaciales que viajan mucho mas allá de Marte necesitan mas potencia de la que pueden producir las celdas solares. Otro ejemplo fue la nave Ulises. Se lanzó en octubre de 1990 desde el transbordador espacial en una misión para estudiar los polos del Sol. Para viajar “sobre” los polos del Sol, Ulises tuvo que viajar alrededor de Júpiter y aprovechar la aceleración de su fuerte campo gravitacional para alejarse del plano de los planetas. En la proximidad de Júpiter los rayos del Sol son 25 veces más débiles que cerca de la Tierra. Paneles lo suficientemente grande para captar esta débil energía hubiesen pesado 540 kg, duplicando la masa de la nave y haciéndolo demasiado pesado para los cohetes que debían sacarlo del transbordador. En su lugar Ulises se equipó con un RTG que pesa sólo 56 kg y produce sin problemas la energía necesaria para todos los sistemas de a bordo, incluidos navegación, comunicación e instrumentos científicos.

Una nave como Ulises necesita un par de centenas de vatios de potencia para alimentar los sistemas de a bordo. En comparación, los sistemas del Transbordador necesitan 5 a 10 kilovatios, 50 veces más. La Estación Espacial Internacional (ISS por sus siglas en inglés: Internacional Space Station) usa 10 veces mas, unos 100 kW para sus sistemas.

Foto de IIS 375 km sobre la superficie de la tierra

La ISS se mantiene en una órbita en torno a la Tierra, lo que reduce la energía necesaria. Los viajes de seres humanos mas allá del entorno de la Tierra, necesitarán energía no sólo para los sistemas de a bordo, sino también para propulsión y sistemas de apoyo a los humanos al llegar a su destino. “Para realizar ambiciosas exploraciones humanas a través del sistema solar, quizás volver a la Luna, tal vez ir a Marte, requerirá de cientos a mil kilovatios en la superficie y cientos de miles para el transporte”, dice John Mankins, tecnólogo jefe para el programa de sistemas Advance en las oficinas de NASA. No es posible conectarse en el enchufe mas próximo, agrega. Ha de llevarse consigo su propia fuente de energía. Lo ideal sería encontrar algo que proporcione energía tanto para las operaciones como para la propulsión.

El transbordador se aleja de la Tierra impulsado por cohetes químicos.

Desde los primeros cohetes lanzados por Robert Goddard en 1916, las misiones espaciales han usado cohetes químicos para adquirir la aceleración necesaria para escapar de la gravedad terrestre. Encendido durante 5 a 15 minutos, el cohete lanza la nave hacia su destino, la que se deja llevar a su destino a menos que use la gravedad de otro planeta para acelerarse adicionalmente. Al Voyager le llevó años acercarse a Saturno, sólo unos días estuvo en su sistema y apenas unas horas cerca del planeta.

Quienes planifican las misiones quisieran hacerlo mejor en el fututo.

Desde su perspectiva en la oficina de Exploración en el Centro Espacial Johnson, Jeff George ve “la evolución de una familia de tecnologías de energía y propulsión” para la próxima oleada de exploración humana. La primera candidata es propulsión eléctrica (EP por electric propulsion en inglés). No se necesita un gran empuje en el espacio luego de vencer la gravedad de la Tierra, explica George, pero si hay que producirlo con el mínimo de combustible debido a las restricciones en la masa total. Luego del lanzamiento químico al espacio, la electricidad produce empuje consumiendo muy poco propelente.

El impulso específico — o sea, los kilogramos de empuje producido por kg de propelente usado por segundo—es una medida de la eficiencia con que un sistema usa el combustible para producir empuje. Mientras mayor es mejor. El transbordador espacial, que se mantiene cerca de la Tierra, usa combustible químico con un impulso específico de 450 segundos, o sea, 450 kg de empuje por cada kg de propelente por segundo. La propulsión eléctrica (EP) proporciona un impulso específico 10 veces mayor que la propulsión química y un potencial que puede llegar a 10.000 segundos.

El fantasmal escape azul del motor de propulsión iónico de Deep Space 1. La energía recogida por los paneles solares de la nave se usa para ionizar átomos de xenón. Al ser expulsados hacia atrás por un fuerte campo magnético, la nave aumenta lentamente su velocidad.

EP se probó por primera vez en 1998 en Deep Space 1 — una nave en la que se probaron varias nuevas tecnologías antes de viajar acercándose al cometa Borrely en 2001. Deep Space 1 necesitaba 2,5 kW para alimentar su propulsor iónico (dibujo a la izquierda) y los otros sistemas de a bordo. La energía vino de un novedoso colector consistente en celdas solares mejoradas y un lente para concentrar la luz del Sol en los paneles. El conjunto alcanzó una eficiencia de 23% en la conversión de energía solar a electricidad en comparación los paneles solares de la ISS alcanzan 14% de eficiencia.

Aprovechando el éxito de Deep Space 1 una nueva misión llamada “Dawn” dejará la Tierra en 2006. Impulsada por un motor iónico con impulso específico de 3100 segundos, Dawn visitará Ceres y Vesta, dos de los más grandes asteroides en el sistema solar. Aun cuando Ceres y Vesta están mas lejos del Sol que Marte, la nave será capaz de de obtener los 7,5 kW de energía que necesita de paneles solares.

Las misiones tripuladas necesitan aun más energía. “El próximo paso para una misión tripulada a Marte”, dice Jeff George, “es subir a 5-10 megavatios de energía nuclear y llegar con los motores eléctricos a megavatios cada uno”. Pasar de kilovatios a megavatios no es fácil. En NASA se trabaja actualmente en los próximos sistemas de 5-10 megavatios. George prevé pequeñas naves electro-nucleares de 100-200 kW explorando los planetas exteriores como versiones piloto de la escala de megavatios que quisiera usar en la exploración humana.

Fisión, el mismo proceso de división que da energía a las plantas nucleares modernas, es una de las formas de generar vastas cantidades de energía para propulsar naves espaciales.

Un sistema de EP necesita una fuente de mucha energía y mucha potencia. Como explica John Cole jefe del Proyecto de Investigación en Sistemas Revolucionarios de Propulsión, “El factor más importante es la energía, pero la potencia (la energía producida por unidad de tiempo) determina la aceleración”. Entonces, ¿Qué fuente produce suficiente potencia? “La energía nuclear es mucha — y potencialmente puede entregar mucha potencia también”, observa Cole. “La potencia de los paneles solares es insuficiente para acelerar el vehículo completo a niveles que permiten un viaje rápido”.

Las fuentes de poder de radioisótopos (como el RTG del Voyager) dan mucha energía en un tiempo largo, pero no mucha potencia, solo decenas a centenas de vatios. Para obtener kilovatios a megavatios de potencia, hay que usar la fisión nuclear, dice Les Jonson, del Programa Avanzado de Transporte de la NASA.

El decaimiento radiactivo, en la figura, es la fuente de energía de los RTG. No tiene la potencia de la fisión nuclear.

La fisión en la que un neutrón divide un átomo en dos isótopos radiactivos es el proceso usado en las plantas nucleares generadoras de energía en la Tierra. “Dotar a una nave espacial de un reactor nuclear sería como ponerle su propia planta generadora (en miniatura)”. Dice Johnson. Un reactor de fisión es capaz de alimentar un potente sistema de propulsión eléctrico mas allá del interior del sistema solar. Tiene mayor duración y alta potencia para realizar sofisticadas investigaciones científicas, comunicación de alta velocidad y permite a la nave realizar operaciones complejas.

Muy buenos antecedentes para la fisión, pero no pasan la prueba de John Cole. Él ha puesto el requisito de llevar hombres a los planetas exteriores en un año y traerlos de vuelta en un año. La fisión tiene suficiente energía, pero no así la potencia necesaria. La NASA está diseñando un sistema de 300 kW usando fisión. Pero para cumplir las exigencias de Cole, “se necesita una potencia muy alta, potencia por unidad de masa del vehículo tres órdenes de magnitud mejor que lo que se planea para la fisión”. Para eso hay que pasar a la fusión nuclear—el mismo proceso que alimenta al Sol y las estrellas.

La fusión, que produce energía combinando átomos en lugar de dividiéndolos, puede en principio entregar gigavatios de energía limpia. Sin embargo, los sistemas de propulsión por fusión tal como se conciben hoy serían muy grandes, requiriendo vehículos del tamaño de la estación orbital o de la nave de combate Galáctica, con un peso de varias cientos de toneladas — aunque puede disminuir con la futura investigación.

Salga de noche y mire al cielo. Cada estrella que usted ve es un reactor de fusión. Los científicos quisieran dominar esta potencia para propulsar naves espaciales y alimentar de energía distantes colonias [más]

Los motores de fusión podrían ser quemadores de combustible muy eficientes con un impulso específico de 100.000 segundos. “Piense si lo tuviéramos en 10 años, si pudiéramos enviar un sistema de propulsión por fusión dentro de 10 años, podríamos enviar una nave que alcanzara el Voyager y lo trajera de vuelta”, dice Cole. Este tipo de potencia y velocidad acorta el tiempo de exposición de los astronautas a la peligrosa radiación cósmica y a la pérdida de más ósea que produce la exposición prolongada a la falta de gravedad.

Tal vez hay algo aun mejor que la fusión: un motor basado en la aniquilación de materia-antimateria tendría un impulso específico de 2.000.000 de segundo de acuerdo a Cole.

Suena como ciencia-ficción, pero los investigadores están aprendiendo a almacenar pequeñas cantidades de antimateria en laboratorios reales. Una trampa electromagnética portátil En la Universidad del Estado de Pensilvania, por ejemplo, puede contener 10 mil millones de antiprotones. Si aprendiéramos a usar esta antimateria en forma segura, podríamos lanzar algo sobre una pequeña corriente de hidrógeno para obtener empuje. Otra alternativa es inyectar un poco de antimateria en un reactor para bajar la temperatura a la que se inicia la reacción de fusión.

La “trampa Penning” desarrollada en la Universidad Estatal de Pensilvania conserva antiprotones [más]

“No sólo por la propulsión queremos la energía nuclear”, anota Coleen Hartman, director del exploración del sistema solar en la NASA. “También conviene para los sistemas de a bordo. Energía en exceso es como el brillo de Las Vegas en vez de tener apenas una luz. [en Chile usamos ampolleta por bulb, no así en otros paises] . Nos da una mayor flexibilidad para la misión y las comunicaciones.”

El Mars Smart Lander y el Laboratorio Móvil, a lanzarse tan luego como 2009, originalmente se concibió como una misión alimentada por energía solar. Pero ahora los investigadores consideran un cambio a energía nuclear: “Con energía nuclear se extendería la misión de 3-6 meses (con energía solar) a 5 años (con energía de radioisótopos),” dice Ed Weiler, jefe de la Space Science Enterprise de NASA. “Permitiría que el vehículo caminara a la zona en lugar de tener que aterrizar ahí. El ancho de banda de las comunicaciones crecería, y podría trabajar 24 horas cada día. Todo aumenta 10 veces cuando se incorpora RTG a la misión.

Para pasar del Mars Lander a una misión tripulada se necesita mas potencia—alrededor de 30 kW para calentar y enfriar un ambiente humano, alimentar computadores y luces, producir oxígeno, reciclar agua y recargar los vehículos, dice Jeff George. Para una misión prolongada no tenemos el tipo de energía para saltar de vuelta en caso de apuro,” agrega Gary Martin, administrador asociado de Sistemas Avanzados de la oficina de Vuelo Espacial de la NASA. “Se construyen elementos que deben ser ultra confiables, que se auto reparen, y que detecten autónomamente cuando sufren deterioro”. Las piezas rotas deben ser fabricadas o reparadas en el lugar: no se puede pedir repuestos. Procesos de alta potencia como fabricar partes o producir propelentes para abandonar Marte requieren otros 60 kW, según George.

No es un campo en Las Vegas, pero la primera colonia en Marte requerirá de mucha energía. Crédito de la imagen: Frassanito & Asociados, Inc

Al final, ninguna fuente de potencia satisface todas las necesidades. Mirando en perspectiva, John Mankins dice “necesitamos propulsión eléctrica de alta potencia y alta eficiencia para el viaje interplanetario; necesitamos sistemas de propulsión química que podamos obtener y sea confiable para elevarnos y descender en la superficie de los planetas; y necesitamos almacenar energía química o solar para vivir en la superficie. Los robots pueden usar potencia de radioisótopos, y también se debe considerar reactores y haces de energía electromagnética.

Hay varias alternativas, pero una cosa es clara. A donde quiera que vamos en el espacio sea lo que sea lo que queramos hacer, necesitamos mas potencia.