La energía nuclear en el espacio es el uso de energía nuclear en el espacio exterior , normalmente pequeños sistemas de fisión o desintegración radiactiva para obtener electricidad o calor. Otro uso es para la observación científica, como en un espectrómetro Mössbauer . El tipo más común es un generador termoeléctrico de radioisótopos , que se ha utilizado en muchas sondas espaciales y en misiones lunares tripuladas. También se han puesto en funcionamiento pequeños reactores de fisión para satélites de observación de la Tierra, como el reactor nuclear TOPAZ . [1] Una unidad calentadora de radioisótopos funciona mediante desintegración radiactiva y puede evitar que los componentes se enfríen demasiado para funcionar, potencialmente durante décadas. [2]
Estados Unidos probó el reactor nuclear SNAP-10A en el espacio durante 43 días en 1965, [3] y la siguiente prueba de un sistema de energía de reactor nuclear destinado a uso espacial tuvo lugar el 13 de septiembre de 2012 con la prueba de demostración mediante fisión plana (DUFF). del reactor Kilopower . [4]
Después de una prueba en tierra del reactor experimental Romashka de 1965 , que utilizaba uranio y conversión termoeléctrica directa en electricidad, [5] la URSS envió alrededor de 40 satélites nucleares-eléctricos al espacio, en su mayoría propulsados por el reactor BES-5 . El reactor TOPAZ-II, más potente, produjo 10 kilovatios de electricidad. [3]
Ejemplos de conceptos que utilizan la energía nuclear para sistemas de propulsión espacial incluyen el cohete eléctrico nuclear ( propulsor (es) de iones de propulsión nuclear), el cohete de radioisótopos y la propulsión eléctrica de radioisótopos (REP). [6] Uno de los conceptos más explorados es el cohete térmico nuclear , que fue probado en tierra en el programa NERVA . La propulsión por impulsos nucleares fue el tema del Proyecto Orión . [7]
Después de la prohibición de las armas nucleares en el espacio por el Tratado sobre el Espacio Ultraterrestre en 1967, la energía nuclear ha sido discutida por los estados al menos desde 1972 como un tema delicado. [8] Las fuentes de energía nuclear espacial pueden sufrir accidentes durante las fases de lanzamiento, operación y fin de servicio, lo que da como resultado la exposición de las fuentes de energía nuclear a condiciones físicas extremas y la liberación de materiales radiactivos en la atmósfera y el medio ambiente de la superficie de la Tierra. [9] Por ejemplo, todos los sistemas de energía radioisotópica (RPS) utilizados en misiones espaciales han utilizado Pu-238. El plutonio-238 es un elemento radiactivo que emite partículas alfa. Aunque la NASA afirma que existe en las naves espaciales en una forma que no se absorbe fácilmente y que presenta poco o ningún riesgo químico o toxicológico al ingresar al cuerpo humano (por ejemplo, en el diseño de las naves espaciales estadounidenses, el dióxido de plutonio existe en forma cerámica para evitar la inhalación o ingestión). por los seres humanos y se coloca dentro de estrictos sistemas de protección de seguridad), no se puede negar que puede liberarse y dispersarse en el medio ambiente, planteando riesgos tanto para el medio ambiente como para la salud humana. [10] El Pu-238 se acumula principalmente en los pulmones, el hígado y los huesos mediante la inhalación en forma de polvo, lo que plantea riesgos para la salud humana. [11]
Ha habido varios accidentes ambientales relacionados con la energía nuclear espacial en la historia. En 1964, la misión de vuelo Transit-5-BN-3 finalizó debido a un mal funcionamiento del cohete, lo que provocó su destrucción al reingresar a la atmósfera, liberando algo de combustible de plutonio a la atmósfera superior. En mayo de 1968 se produjo otro accidente durante el lanzamiento del Nimbus B-1, donde la fuente de energía nuclear cayó al mar sin fugas de plutonio. En abril de 1970, la misión lunar Apolo 13 fue abortada debido a la explosión de un tanque de oxígeno en el módulo de servicio de la nave espacial. Al reingresar a la atmósfera, el módulo lunar equipado con el SNAP-27 RTG explotó y se estrelló en el Océano Pacífico Sur, sin fugas de combustible nuclear. [9]
A principios de 1978, la nave espacial de la Unión Soviética COSMOS 954 , propulsada por un reactor de uranio altamente enriquecido de 45 kilogramos, entró en un descenso incontrolado. Debido al impredecible punto de impacto, se hicieron preparativos para una posible contaminación de zonas habitadas. Este evento subrayó el peligro potencial de los objetos espaciales que contienen materiales radiactivos, enfatizando la necesidad de una estricta planificación de emergencia internacional y el intercambio de información en caso de accidentes nucleares espaciales. También condujo a la formulación intergubernamental de protocolos de emergencia, como la Operación Morning Light , donde Canadá y Estados Unidos recuperaron conjuntamente 80 fragmentos radiactivos en un radio de 600 kilómetros en los Territorios del Noroeste de Canadá. COSMOS 954 se convirtió en el primer ejemplo de preparación y respuesta a emergencias globales para satélites que transportan fuentes de energía nuclear. [12]
No se puede ignorar la presencia de fuentes nucleares espaciales y las posibles consecuencias de los accidentes nucleares para los seres humanos y el medio ambiente. Por lo tanto, ha habido regulaciones estrictas para la aplicación de la energía nuclear en el espacio ultraterrestre para mitigar los riesgos asociados con el uso de fuentes de energía nuclear espaciales entre los gobiernos. [13]
Por ejemplo, en Estados Unidos, las consideraciones de seguridad están integradas en cada etapa del diseño, prueba, fabricación y operación de sistemas nucleares espaciales. La NRC supervisa la propiedad, el uso y la producción de materiales e instalaciones nucleares. El Departamento de Energía está obligado por la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA) a considerar el impacto ambiental del manejo, transporte y almacenamiento de materiales nucleares. [9] [14] La NASA, el Departamento de Energía y otras autoridades federales y locales desarrollan planes de emergencia integrales para cada lanzamiento, incluida la comunicación pública oportuna. En caso de accidente, se despliegan equipos de monitoreo equipados con equipo de apoyo altamente especializado y estaciones automatizadas alrededor del sitio de lanzamiento para identificar posibles emisiones de material radiactivo, cuantificar y describir el alcance de la liberación, predecir la cantidad y distribución de material disperso, y desarrollar y recomendar acciones protectoras. [15]
A nivel mundial, tras el incidente del COSMOS 954 en 1978, la comunidad internacional reconoció la necesidad de establecer un conjunto de principios y directrices para garantizar el uso seguro de las fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre. En consecuencia, en 1992, la Asamblea General adoptó la resolución 47/68, titulada "Principios pertinentes para el uso de fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre". [16] Estos principios abordan principalmente la evaluación de la seguridad, el intercambio y diálogo internacional de información, la responsabilidad y la compensación. Estipula que los principios deben ser revisados por la Comisión sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos a más tardar dos años después de su adopción. [16] Después de años de consultas y deliberaciones, en 2009 se adoptó el Marco Internacional de Seguridad para las Aplicaciones de Fuentes de Energía Nuclear en el Espacio Ultraterrestre para mejorar la seguridad de las misiones espaciales que involucran fuentes de energía nuclear. Ofrece orientación para ingenieros y diseñadores de misiones, aunque su implementación efectiva requiere integración en los procesos existentes. [17] [18]
El "Marco de Seguridad" afirma que cada nación es responsable de la seguridad de su energía nuclear espacial. Los gobiernos y las organizaciones internacionales deben justificar la necesidad de las aplicaciones espaciales de la energía nuclear en comparación con posibles alternativas y demostrar su uso sobre la base de evaluaciones de seguridad integrales, incluido el análisis de riesgos probabilísticos, con especial atención al riesgo de exposición del público a radiaciones nocivas o materiales radiactivos. Las naciones también necesitan establecer y mantener órganos y sistemas sólidos de supervisión de la seguridad y preparación para emergencias para minimizar la probabilidad y mitigar las consecuencias de posibles accidentes. [18] A diferencia de los "Principios" de 1992, el "Marco de Seguridad" se aplica a todo tipo de desarrollo y aplicaciones de fuentes de energía nuclear espacial, no sólo a las tecnologías existentes en ese momento. [17]
En el borrador del informe sobre la implementación del Marco de Seguridad para las Aplicaciones de Fuentes de Energía Nuclear en el Espacio Ultraterrestre publicado en 2023, el grupo de trabajo considera que el marco de seguridad ha sido ampliamente aceptado y ha demostrado ser útil para los Estados miembros en el desarrollo y/o implementación de políticas nacionales. sistemas y políticas para garantizar el uso seguro de las fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre. Otros estados miembros y organizaciones intergubernamentales que actualmente no participan en la utilización de fuentes de energía nuclear espaciales también reconocen y aceptan el valor de este marco, teniendo en cuenta las cuestiones de seguridad asociadas con dichas aplicaciones. [19]
Si bien la energía solar se utiliza mucho más comúnmente, la energía nuclear puede ofrecer ventajas en algunas áreas. Las células solares, aunque eficientes, sólo pueden suministrar energía a las naves espaciales en órbitas donde el flujo solar es suficientemente alto, como la órbita terrestre baja y los destinos interplanetarios lo suficientemente cerca del Sol. A diferencia de las células solares, los sistemas de energía nuclear funcionan independientemente de la luz solar, necesaria para la exploración del espacio profundo . Los sistemas de base nuclear pueden tener menos masa que las células solares de potencia equivalente, lo que permite naves espaciales más compactas que son más fáciles de orientar y dirigir en el espacio. En el caso de los vuelos espaciales tripulados, los conceptos de energía nuclear que pueden alimentar tanto los sistemas de propulsión como los de soporte vital pueden reducir tanto el costo como el tiempo de vuelo. [20]
Las aplicaciones y/o tecnologías espaciales seleccionadas incluyen:
Durante más de cincuenta años, los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) han sido la principal fuente de energía nuclear de Estados Unidos en el espacio. Los RTG ofrecen muchos beneficios; son relativamente seguros y no requieren mantenimiento, son resistentes en condiciones difíciles y pueden funcionar durante décadas. Los RTG son particularmente deseables para su uso en partes del espacio donde la energía solar no es una fuente de energía viable. Se han implementado docenas de RTG para impulsar 25 naves espaciales estadounidenses diferentes, algunas de las cuales han estado operando durante más de 20 años. Se han utilizado más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos en todo el mundo (principalmente en Estados Unidos y la URSS) en misiones espaciales. [25]
El avanzado generador de radioisótopos Stirling (ASRG, un modelo de generador de radioisótopos Stirling (SRG)) produce aproximadamente cuatro veces la energía eléctrica de un RTG por unidad de combustible nuclear, pero no se esperan unidades listas para volar basadas en tecnología Stirling hasta 2028. [ 26] La NASA planea utilizar dos ASRG para explorar Titán en un futuro lejano. [ cita necesaria ]
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Los generadores de energía de radioisótopos incluyen:
Las unidades calentadoras de radioisótopos (RHU) también se utilizan en naves espaciales para calentar instrumentos científicos a la temperatura adecuada para que funcionen de manera eficiente. Se utiliza un modelo más grande de RHU llamado Fuente de calor de uso general (GPHS) para alimentar los RTG y el ASRG. [ cita necesaria ]
Se ha propuesto el uso de radioisótopos de desintegración extremadamente lenta en sondas interestelares con vidas útiles de varias décadas. [27]
A partir de 2011, otra dirección de desarrollo fue un RTG asistido por reacciones nucleares subcríticas. [28]
Los sistemas de energía de fisión pueden utilizarse para alimentar los sistemas de propulsión o calefacción de una nave espacial. En términos de necesidades de calefacción, cuando las naves espaciales requieren más de 100 kW de potencia, los sistemas de fisión son mucho más rentables que los RTG. [ cita necesaria ]
En 1965, Estados Unidos lanzó un reactor espacial, el SNAP-10A , que había sido desarrollado por Atomics International , entonces una división de North American Aviation . [29]
En las últimas décadas, se han propuesto varios reactores de fisión y la Unión Soviética lanzó 31 reactores de fisión de baja potencia BES-5 en sus satélites RORSAT utilizando convertidores termoeléctricos entre 1967 y 1988. [ cita necesaria ]
En las décadas de 1960 y 1970, la Unión Soviética desarrolló reactores TOPAZ , que utilizan convertidores termoiónicos, aunque el primer vuelo de prueba no fue hasta 1987. [ cita necesaria ]
En 1983, la NASA y otras agencias gubernamentales estadounidenses comenzaron a desarrollar un reactor espacial de próxima generación, el SP-100 , mediante un contrato con General Electric y otros. En 1994, el programa SP-100 fue cancelado, en gran parte por razones políticas, con la idea de realizar la transición al sistema de reactor ruso TOPAZ-II . Aunque algunos prototipos de TOPAZ-II fueron probados en tierra, el sistema nunca se implementó en misiones espaciales estadounidenses. [30]
En 2008, la NASA anunció planes para utilizar un pequeño sistema de energía de fisión en la superficie de la Luna y Marte, y comenzó a probar tecnologías "clave" para que esto se hiciera realidad. [31]
Los sistemas de exploración y naves espaciales con sistemas de energía de fisión propuestos incluyen SP-100 , propulsión eléctrica nuclear JIMO y Fission Surface Power . [25]
Se han desarrollado o están en desarrollo varios tipos de microrreactores nucleares para aplicaciones espaciales: [32]
Los sistemas de propulsión térmica nuclear (NTR) se basan en la potencia de calentamiento de un reactor de fisión, ofreciendo un sistema de propulsión más eficiente que uno impulsado por reacciones químicas. La investigación actual se centra más en los sistemas eléctricos nucleares como fuente de energía para proporcionar empuje para impulsar naves espaciales que ya se encuentran en el espacio.
Otros reactores de fisión espacial para alimentar vehículos espaciales incluyen el reactor SAFE-400 y el HOMER-15. En 2020, Roscosmos (la Agencia Espacial Federal Rusa ) planea lanzar una nave espacial utilizando sistemas de propulsión de propulsión nuclear (desarrollados en el Centro de Investigación Keldysh ), que incluye un pequeño reactor de fisión refrigerado por gas de 1 MWe. [33] [34]
En septiembre de 2020, la NASA y el Departamento de Energía (DOE) emitieron una solicitud formal de propuestas para un sistema de energía nuclear lunar, en la que se otorgarían varias adjudicaciones a diseños preliminares completados a finales de 2021, mientras que en una segunda fase, por A principios de 2022, seleccionarían una empresa para desarrollar un sistema de energía de fisión de 10 kilovatios que se colocaría en la Luna en 2027. [35]
En 2002, la NASA anunció una iniciativa para desarrollar sistemas nucleares, que más tarde se conoció como Proyecto Prometheus . Una parte importante del Proyecto Prometheus fue desarrollar el Generador de Radioisótopos Stirling y el Generador Termoeléctrico de Misiones Múltiples, ambos tipos de RTG. El proyecto también tenía como objetivo producir un sistema de reactor de fisión espacial seguro y duradero para la potencia y propulsión de una nave espacial, reemplazando a los RTG utilizados durante mucho tiempo. Las limitaciones presupuestarias provocaron la paralización efectiva del proyecto, pero el Proyecto Prometheus ha tenido éxito en probar nuevos sistemas. [36] Después de su creación, los científicos probaron con éxito un motor de iones de propulsión eléctrica de alta potencia (HiPEP), que ofrecía ventajas sustanciales en eficiencia de combustible, vida útil del propulsor y eficiencia del propulsor sobre otras fuentes de energía. [37]
Una galería de imágenes de sistemas de energía nuclear espaciales.
Energía nuclear espacial: Desde 1961, Estados Unidos ha instalado más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) con un historial operativo esencialmente perfecto. Los detalles específicos de estos RTG y las misiones que han impulsado se han revisado exhaustivamente en la literatura abierta. Estados Unidos ha hecho volar sólo un reactor, que se describe a continuación. La Unión Soviética ha volado sólo dos RTG y ha mostrado preferencia por utilizar pequeños sistemas de energía de fisión en lugar de RTG. La URSS tenía un programa de energía de fisión espacial más agresivo que el de Estados Unidos y tenía más de 30 reactores. Aunque fueron diseñados para una vida útil corta, el programa demostró el uso exitoso de diseños y tecnología comunes.
![Cáscara al rojo vivo que contiene plutonio en desintegración nuclear, dentro del Laboratorio Científico de Marte MMRTG.[38] MSL se lanzó en 2011 y aterrizó en Marte en agosto de 2012.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Fueling_of_the_MSL_MMRTG_001.jpg/1280px-Fueling_of_the_MSL_MMRTG_001.jpg)
