Un cohete eléctrico nuclear (más propiamente, propulsión eléctrica nuclear ) es un tipo de sistema de propulsión de naves espaciales donde la energía térmica de un reactor nuclear se convierte en energía eléctrica , que se utiliza para impulsar un propulsor de iones u otra tecnología de propulsión eléctrica de naves espaciales . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] La terminología del cohete eléctrico nuclear es ligeramente inconsistente, ya que técnicamente la parte " cohete " del sistema de propulsión no es nuclear y también podría ser impulsada por paneles solares . Esto contrasta con un cohete térmico nuclear , que utiliza directamente el calor del reactor para agregar energía a un fluido de trabajo , que luego se expulsa por una boquilla de cohete.
Los elementos clave del PNE son:
En un artículo de 1963, Myron Levoy propuso un diseño de motor híbrido nuclear-eléctrico que podría funcionar tanto en modo de ciclo abierto como motor nuclear térmico durante las fases de misión que requieren un gran empuje, como en modo de ciclo cerrado como motor nuclear-eléctrico con bajo empuje, pero alta eficiencia durante las fases restantes de la misión. La aplicación propuesta de este diseño de motor era para una misión rápida de ida y vuelta con tripulación humana a Marte . [9]
En 2001, se estaba desarrollando el motor de fisión económico y seguro , con una fuente de calor nuclear de 30 kW probada que tenía como objetivo el desarrollo de un reactor térmico de 400 kW con turbinas de gas de ciclo Brayton para producir energía eléctrica. Se pretendía eliminar el calor residual mediante tecnología de tubos de calor de baja masa . Se pretendía garantizar la seguridad mediante un diseño robusto. [ cita requerida ]
El Proyecto Prometeo fue un estudio de la NASA de principios de la década de 2000 sobre naves espaciales nucleares-eléctricas. [ cita requerida ]
Kilopower es el último programa de desarrollo de reactores de la NASA, pero está destinado únicamente a uso en superficie. [ cita requerida ]
El proyecto TEM comenzó en 2009 con el objetivo de impulsar un motor para Marte.
Marzo de 2016: Se recibe el primer lote de combustible nuclear [ cita requerida ]
Un reactor de lecho de bolas que utilice nitrógeno gaseoso refrigerante de alto flujo másico cerca de las presiones atmosféricas normales es una posible fuente de calor. La generación de energía podría lograrse con tecnología de turbinas de gas , que está bien desarrollada. El combustible nuclear sería uranio altamente enriquecido encapsulado en bolas de grafito con bajo contenido de boro de probablemente 5 a 10 cm de diámetro. El grafito también moderaría los neutrones de la reacción nuclear.
Este tipo de reactor puede diseñarse para que sea intrínsecamente seguro. A medida que se calienta, el grafito se expande, separando el combustible y reduciendo la criticidad del reactor. Esta propiedad puede simplificar los controles operativos a una sola válvula que estrangula la turbina. Cuando está cerrado, el reactor se calienta, pero produce menos energía. Cuando está abierto, el reactor se enfría, pero se vuelve más crítico y produce más energía.
La encapsulación de grafito simplifica el reabastecimiento de combustible y el manejo de desechos. El grafito es mecánicamente fuerte y resiste altas temperaturas. Esto reduce el riesgo de una liberación no planificada de elementos radiactivos, incluidos los productos de fisión . Dado que este tipo de reactor produce alta potencia sin piezas fundidas pesadas para contener altas presiones, es muy adecuado para impulsar naves espaciales. [10]
Se han propuesto diversas tecnologías de propulsión eléctrica para su uso con sistemas de generación eléctrica nuclear de alta potencia, entre las que se incluyen VASIMR , DS4G y propulsores inductivos pulsados (PIT). Los PIT y VASIMR son únicos en su capacidad de intercambiar entre el uso de energía, el impulso específico (una medida de eficiencia, véase impulso específico ) y el empuje en vuelo. El PIT tiene la ventaja adicional de no necesitar energía condicionada. [ cita requerida ]
Se han propuesto varios esquemas de conversión de calor en electricidad. En el corto plazo, los generadores de ciclo Rankine , ciclo Brayton y ciclo Stirling pasan por una fase mecánica intermedia, con las consiguientes pérdidas de energía. También se han propuesto tecnologías más exóticas: termoeléctricas (incluida la conversión de energía térmica basada en grafeno [11] [12] [13] ), piroeléctricas , termofotovoltaicas , termoiónicas y materiales termoeléctricos de tipo magnetohidrodinámico .
Los generadores termoeléctricos de radioisótopos , las unidades de calentamiento de radioisótopos , los generadores piezoeléctricos de radioisótopos y el cohete de radioisótopos utilizan el calor de una fuente radiactiva estática (normalmente plutonio-238 ) para generar un nivel bajo de energía eléctrica o de propulsión directa. Otros conceptos incluyen el cohete térmico nuclear , el cohete de fragmentos de fisión, la propulsión por pulsos nucleares y la posibilidad de un cohete de fusión , suponiendo que la tecnología de fusión nuclear se desarrolle en algún momento en el futuro cercano. [ cita requerida ]