Yuri Knutov
Durante la última década, el espacio se ha convertido en un lugar de feroz confrontación entre las principales potencias del mundo. Esto se debe al importante papel que desempeñan los satélites militares en la guerra moderna. Las naves espaciales son responsables de realizar reconocimientos, organizar comunicaciones y mando y control, determinar las coordenadas de sus fuerzas y las del enemigo, así como contrarrestar satélites de estados hostiles.
El principal problema al que se han enfrentado los desarrolladores de tecnología espacial durante muchos años es el suministro limitado de combustible. Cuanto más combustible haya en el satélite, más largo puede ser el vuelo y más fácil es cambiar su órbita o maniobrar, evadiendo las armas antisatélite de un país hostil. Además, la capacidad de maniobra es importante para inspeccionar naves extraterrestres y, si es necesario, para incapacitarlas.
Década de 1960: EE. UU. y la URSS desarrollan la primera nave espacial con planta de energía nuclear
Los satélites militares modernos transportan una cantidad significativa de equipos complejos. Para su normal funcionamiento se necesita una gran cantidad de electricidad. El poder de las baterías solares ha sido siempre insuficiente y, desde mediados de los años 60 del Siglo XX, se comenzó a pensar en la tecnología nuclear.
Inicialmente, se utilizaron generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Utilizan el proceso natural de desintegración radiactiva de los radioisótopos. Los RTG tienen un diseño relativamente simple y pueden funcionar sin mantenimiento durante mucho tiempo. Pero los generadores termoeléctricos de radioisótopos tienen dos serios inconvenientes: baja potencia y baja eficiencia. Por lo tanto, la mayoría de las veces se usan además de los paneles solares. En particular, el RTG está instalado en el rover Curiosity.
Para obtener más potencia se utilizan reactores nucleares compactos. La primera nave espacial con una planta de energía nuclear a bordo se lanzó en los Estados Unidos en abril de 1965. El reactor funcionaba con uranio-235 y se denominó SNAP-10A. Estaba destinado a proporcionar energía eléctrica a propulsores de iones pulsados experimentales.
Un mes y medio después, el satélite estadounidense falló, luego de lo cual el dispositivo fue transferido a la órbita funeraria con un tiempo de descenso a la Tierra de 4 mil años. Pero ya en 1979, por razones desconocidas, el satélite comenzó a desmoronarse, formando 50 fragmentos diferentes. Al darse cuenta de la complejidad de crear naves espaciales con reactores nucleares a bordo, la NASA dejó de trabajar en este tema. La razón radicaba en la falta banal de fondos, que en ese momento se requerían para librar la guerra en Vietnam.
En 1964-1965. El primer reactor nuclear experimental soviético “Romashka” se desarrolló en el Centro Kurchatov. Teniendo en cuenta la experiencia adquirida, pronto se creó la central nuclear BES-5 Buk. Estaba basado en un reactor de neutrones rápidos. Al igual que el estadounidense, el reactor doméstico funcionaba con uranio-235. La planta de energía nuclear se montó en una nave espacial llamada “Kosmos” de la serie US-A (“Controlled Satellite-Active”) lanzada bajo el programa “Legend”. Era un sistema diseñado para el reconocimiento espacial marino satelital global y la designación de objetivos (MKRTS) para las fuerzas y medios de la Armada de la URSS. En tiempo real, dirigió misiles de crucero antibuque a objetivos marinos enemigos. Según el presidente estadounidense Reagan, el sistema Legend era una gran amenaza para la Marina de los EE. UU.
El primer lanzamiento de la nave espacial Kosmos-367 tuvo lugar en octubre de 1970. El BES-5 Buk funcionó durante unas dos horas y luego falló. Después de las modificaciones, se llevó a cabo una serie de lanzamientos exitosos de naves espaciales soviéticas con plantas de energía nuclear a bordo. Se realizaron un total de 31 lanzamientos. Pero también hubo fracasos.
Los lanzamientos que tuvieron lugar en octubre de 1969, abril de 1973, septiembre de 1977, febrero de 1983 y algunos otros no tuvieron éxito. La nave espacial Kosmos-954 hizo mucho ruido en ese momento. En enero de 1978, incendió una región desierta de Canadá. Afortunadamente, el combustible del reactor y sus escombros provocaron una contaminación no crítica de la zona con una superficie total de hasta 100 mil kilómetros cuadrados. Luego, la URSS pagó a Canadá una indemnización de varios millones de dólares por los daños ambientales causados.
Años 90: Estados Unidos compró Topaz-2 a la URSS colapsada, pero no pudo hacer nada con él
Los lanzamientos de naves espaciales soviéticas con plantas de energía nuclear a bordo se reanudaron solo unos años después. En satélites mejorados, se proporcionó un sistema de emergencia para colocar el reactor en una órbita de eliminación. Tras el final de la vida útil del dispositivo, y en ese momento eran 120 días, el satélite se dividió en dos partes. El reactor permaneció en órbita a una altitud de 750-1000 km. Los cálculos mostraron que entraría en la atmósfera terrestre en 250 años, cuando se desintegrarían los elementos radiactivos más peligrosos. Además, se creó un sistema de seguridad redundante. En el caso de una entrada incontrolada de una nave espacial en las capas densas de la atmósfera, los elementos combustibles se expulsaban automáticamente de la vasija del reactor, después de lo cual se quemaban en las capas densas de la atmósfera. A pesar de que esto conducía a la contaminación de la atmósfera superior, los niveles de radiación se consideraron aceptables. En 1988, debido a un cambio en la situación político-militar en el mundo y la política de concesiones de la URSS a Occidente, los lanzamientos de naves espaciales soviéticas con reactores nucleares a bordo se detuvieron durante algún tiempo bajo la presión de Washington.
Después del colapso de la Unión Soviética, en 1992 los estadounidenses compraron tecnología de Rusia para crear una planta de energía nuclear espacial llamada Topaz. Además, compraron dos plantas de energía nuclear termoiónica Topaz-2 (Yenisei), que eran capaces de generar una energía eléctrica récord de hasta 10 kW en ese momento. Después de estudiar los desarrollos soviéticos, la NASA decidió congelar su trabajo en esta área. Lo más probable es que les afectó la superioridad tecnológica de la URSS, que Estados Unidos no pudo repetir.
Planta de energía nuclear espacial “Topaz”.
Siglo XXI: Estados Unidos aprieta tornillos nucleares
Hasta la fecha, el Pentágono participa activamente en el despliegue de los últimos sistemas de combate e inteligencia en el espacio. Washington cree que esto permitirá detectar y rastrear rápidamente las ojivas de los misiles hipersónicos, y luego golpearlos con éxito con la ayuda de los últimos antimisiles y armas basadas en nuevos principios físicos. Para ello, afinales de 2019, el Pentágono creó la Fuerza Espacial, cuyo mando considera el espacio como esfera de operaciones militares, y las naves espaciales como medio de lucha armada.
Por iniciativa del comando de las Fuerzas Espaciales, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) decidió volver a la idea de usar reactores nucleares en naves espaciales. Tal como los concibió el Pentágono, deberían usarse no solo para proporcionar a los satélites una cantidad suficiente de electricidad, sino, en primer lugar, para convertirse en la base del sistema de propulsión.
El Comando de las Fuerzas Espaciales de EE. UU. cree que los sistemas de propulsión nuclear deberían hacer que los satélites sean más maniobrables y, por lo tanto, menos vulnerables a posibles ataques en el espacio. DARPA ha asignado $ 30 millones para desarrollar el último motor satelital.
El dinero se utilizó para implementar un proyecto civil de la NASA llamado Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). En el corazón de un satélite estadounidense prometedor se encuentra un sistema de propulsión térmica nuclear, que es dos veces más eficiente que los motores existentes que funcionan con combustible químico. Con su ayuda, la NASA planea comenzar la exploración de la luna.
Los motores que se utilizan actualmente en las naves espaciales no le permiten volar rápidamente al satélite más cercano de la Tierra y los planetas del sistema solar. Y la necesidad de esto es cada vez más aguda. En particular, existen importantes reservas de tritio en la Luna, que pueden utilizarse como combustible en reactores de fusión termonuclear controlada. Hasta la fecha, la extracción de tritio y su envío a la Tierra se consideran una tarea irrealizable.
Pros y contras de un reactor nuclear
General Atomics está desarrollando un reactor nuclear de uranio de bajo enriquecimiento para el sistema de propulsión del satélite DRACO. Pudo ganar un contrato de DARPA de $22 millones. La nave espacial está siendo diseñada por Lockheed Martin y Blue Origin. El lanzamiento del aparato de demostración está programado para 2025. El satélite se enviará al espacio casi lunar por encima de la órbita cercana a la Tierra. Esto se hace para garantizar la seguridad y evitar un descenso imprevisto del satélite DRACO a la atmósfera terrestre.
El Pentágono cree que si el proyecto DRACO tiene éxito, se puede instalar un sistema de propulsión térmica nuclear en los satélites militares. Las naves espaciales con motores nucleares podrán operar en el espacio durante muchos años sin necesidad de conservar o reponer combustible. Según los expertos estadounidenses, las naves espaciales con motores nucleares deberían utilizarse en los sistemas de alerta de ataques con misiles basados en el espacio y en los satélites GPS. Esto permitirá que las naves espaciales estadounidenses maniobren fácilmente para evitar las armas antisatélite u otros peligros.
No será fácil para el Pentágono implementar sus planes debido a la complejidad del diseño de un sistema de propulsión nuclear. Para ello, es necesario colocar a bordo de la nave espacial una planta de reactor con un fluido de trabajo y dispositivos auxiliares, un sistema de propulsión eléctrica y un emisor de refrigeración.
El reactor genera calor, que calienta el refrigerante en forma de una mezcla de gases, como helio-xenón. El refrigerante se expande y hace girar la turbina. Un generador eléctrico y un compresor están conectados a su eje, que mantiene la presión en un circuito de refrigeración cerrado. La electricidad generada por el generador se dirige al funcionamiento del motor de plasma (iones). Los procesos que tienen lugar en el motor de iones recuerdan un poco al funcionamiento de un tubo de rayos catódicos en los televisores antiguos.
En condiciones de vacío, se colocan dos tipos de electrodos en la cámara de descarga de gas: ánodos y un bloque de cátodos. En el interior, el fluido de trabajo se suministra en forma de gas inerte, como el xenón. Se aplica un voltaje con una gran diferencia en los potenciales eléctricos al ánodo y al cátodo. Como resultado, se producen descargas de corriente que ionizan el fluido de trabajo. Los iones formados en este caso en el espacio entre la emisión y el electrodo de aceleración debido al poderoso campo electromagnético y al vacío se aceleran rápidamente, empujando la nave espacial en la dirección opuesta. De hecho, el flujo de partículas cargadas que emanan del motor de plasma realiza la función de una corriente en chorro. Bajo la acción de un campo electromagnético, los iones pueden alcanzar velocidades de hasta 200 km/s, mientras que en los motores químicos esta cifra no supera los 3-4,5 km/s.
Un gran problema es el exceso de calor generado en un reactor nuclear. Parecería que en el cero absoluto en el espacio no hay problema en el enfriamiento. Pero en el vacío, no hay partículas de aire que sean calentadas por un cuerpo caliente y, por lo tanto, lo enfríen. En el vacío, simplemente no hay nada a lo que transferir calor. Por lo tanto, el reactor tiene un segundo circuito, desde el cual el exceso de calor se descarga al espacio con la ayuda de enfriadores-radiadores.
El motor nuclear “Zeus” de Rusia
Además de los Estados Unidos, China está llevando a cabo un trabajo intensivo en la creación de un motor de cohete nuclear. El desarrollo lo lleva a cabo la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China (CASC). Ella planea crear para 2045 una nave espacial reutilizable equipada con un motor de cohete nuclear.
A mediados de enero de este año, el Instituto Mitchell de la Asociación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos publicó un informe que afirma que “la fuerza de guerra de maniobra espacial de China incluirá vehículos nucleares térmicos y eléctricos capaces de moverse rápidamente entre órbitas para llevar a cabo tareas ofensivas y defensivas“.
Rusia, por su parte, también está desarrollando un motor nuclear. Roskosmos planea lanzar el remolcador espacial Zeus desde el cosmódromo de Vostochny en 2030. En los Estados Unidos, ya están diciendo que debido a la alta potencia del reactor nuclear a bordo, el análogo militar de Zeus podrá desactivar naves, estaciones y naves enemigas con un pulso electromagnético o iluminar las ojivas balísticas e hipersónicas con un rayo láser. De hecho, Roskosmos planea que la nave realice una función similar a la de un transbordador. Entregará carga desde la órbita de la Tierra a la órbita de la Luna o Marte y viceversa, así como también proporcionará comunicaciones, retransmisión, televisión y radiodifusión alrededor de la Tierra.