La energía nuclear en el espacio es el uso de la energía nuclear en el espacio exterior , normalmente en pequeños sistemas de fisión o en la desintegración radiactiva para generar 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 utilizado pequeños reactores de fisión para satélites de observación de la Tierra, como el reactor nuclear TOPAZ . [1] Una unidad de calentamiento de radioisótopos funciona con desintegración radiactiva y puede evitar que los componentes se enfríen demasiado para funcionar, potencialmente durante un período de 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 usando fisión de superficie plana (DUFF) del reactor Kilopower . [4]
Después de una prueba terrestre del reactor experimental Romashka en 1965 , que utilizaba uranio y conversión termoeléctrica directa a electricidad, [5] la URSS envió unos 40 satélites nucleares-eléctricos al espacio, la mayoría alimentados por el reactor BES-5 . El reactor TOPAZ-II, más potente, producía 10 kilovatios de electricidad. [3]
Entre los conceptos que utilizan la energía nuclear para los sistemas de propulsión espacial se incluyen el cohete eléctrico nuclear ( propulsor(es) iónico (s) de propulsión nuclear), el cohete radioisotópico y la propulsión eléctrica radioisotópica (REP). [6] Uno de los conceptos más explorados es el cohete térmico nuclear , que se probó en tierra en el programa NERVA . La propulsión nuclear por pulsos fue el tema del Proyecto Orión . [7]
Después de la prohibición de las armas nucleares en el espacio por el Tratado del Espacio Ultraterrestre en 1967, la energía nuclear ha sido discutida al menos desde 1972 como un tema delicado por los estados. [8] Las fuentes de energía nuclear espacial pueden experimentar accidentes durante las fases de lanzamiento, operación y fin de servicio, lo que resulta en la exposición de las fuentes de energía nuclear a condiciones físicas extremas y la liberación de materiales radiactivos en la atmósfera y el entorno de la superficie de la Tierra. [9] Por ejemplo, todos los sistemas de energía de radioisótopos (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 plantea poco o ningún riesgo químico o toxicológico al entrar en el cuerpo humano (por ejemplo, en el diseño de las naves espaciales estadounidenses, el dióxido de plutonio existe en forma de cerámica para evitar la inhalación o ingestión por 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 peligros 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 a través de la inhalación en forma de polvo, lo que plantea riesgos para la salud humana. [11]
A lo largo de la historia se han producido varios accidentes medioambientales relacionados con la energía nuclear espacial.
En 1964, un cohete Thor-Ablestar que transportaba el satélite Transit 5BN-3 no logró alcanzar la órbita, destruyendo el satélite al reingresar sobre el hemisferio sur. El kilogramo de combustible de plutonio-238 que contenía el SNAP-9A RTG se liberó a la estratosfera. Un informe de muestras de suelo del Departamento de Energía de 1972 atribuyó al accidente 13,4 kilocurios de Pu-238, de los 17 kilocurios totales del kilogramo. Esto contrastó con los 11.600 kilocurios de estroncio-90 depositados por todas las pruebas de armas nucleares. [12]
En mayo de 1968, un cohete Thor-Agena que transportaba el satélite Nimbus B fue destruido por un error de guía. Su RTG SNAP-19 de plutonio fue recuperado intacto, sin fugas desde el fondo del mar del Pacífico, restaurado y volado en el Nimbus 3. [ 13]
En abril de 1970, la misión lunar del 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 RTG SNAP-27 explotó y se estrelló en el Océano Pacífico Sur, sin fugas de combustible nuclear. [9] Este es el único sistema nuclear intacto que permanece en la Tierra sin recuperación. [ cita requerida ]
A principios de 1978, la nave espacial soviética Kosmos 954 , propulsada por un reactor de uranio altamente enriquecido de 45 kilogramos, inició un descenso sin control. Debido al punto de impacto impredecible, se hicieron preparativos para la posible contaminación de áreas 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 los Estados Unidos recuperaron conjuntamente 80 fragmentos radiactivos dentro de un rango 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. [14]
La mayoría de los sistemas de energía nuclear lanzados al espacio permanecen en órbitas cementerio alrededor de la Tierra. Entre 1980 y 1989, los reactores de fisión BES-5 y TOPAZ-I del programa soviético RORSAT sufrieron fugas de su refrigerante líquido de aleación de sodio y potasio . Cada reactor perdió en promedio 5,3 kilogramos de su refrigerante total de 13 kilogramos, lo que suma un total de 85 kilogramos en 16 reactores. Un documento de la ESA de 2017 calculó que, si bien las gotas más pequeñas se desintegran rápidamente, todavía quedan 65 kilogramos de refrigerante en gotas de un centímetro en órbitas de unos 800 km de altitud, lo que representa el 10% de los desechos espaciales en ese rango de tamaño. [15]
Los reactores de fisión orbitales son una fuente de interferencias significativas para los observatorios de rayos gamma orbitales . A diferencia de los RTG, que dependen en gran medida de la energía de la desintegración alfa , los reactores de fisión producen una radiación gamma significativa , y la cadena de uranio-235 libera el 6,3 % de su energía total en forma de rayos gamma inmediatos (como se muestra a continuación) y retardados (desintegración de productos secundarios): [16]
La producción de pares ocurre cuando estos rayos gamma interactúan con el reactor o el material adyacente, expulsando electrones y positrones al espacio:
Estos electrones y positrones quedan atrapados en los tubos de flujo de la magnetosfera , que los transportan a través de una serie de altitudes orbitales, donde los positrones pueden aniquilarse con la estructura de otros satélites, produciendo nuevamente rayos gamma:
Estos rayos gamma pueden interferir con los instrumentos de los satélites. Esto ocurrió de forma más notable en 1987, cuando los reactores nucleares TOPAZ-I (6-10 kWe) a bordo de los vehículos de prueba gemelos RORSAT Kosmos 1818 y Kosmos 1867 afectaron a los telescopios de rayos gamma a bordo de la Misión Máximo Solar de la NASA y el Ginga de la Universidad de Tokio / ISAS . TOPAZ-I sigue siendo el reactor de fisión más potente que opera en el espacio; las misiones soviéticas anteriores utilizaron el reactor BES-5 (2-3 kWe) a altitudes muy por debajo de los observatorios de rayos gamma. [17]
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 ello, los gobiernos han establecido normas estrictas para la aplicación de la energía nuclear en el espacio ultraterrestre con el fin de mitigar los riesgos asociados al uso de fuentes de energía nuclear espaciales. [18]
Por ejemplo, en los Estados Unidos, las consideraciones de seguridad se integran en cada etapa del diseño, prueba, fabricación y operación de los sistemas nucleares espaciales. La NRC supervisa la propiedad, uso y producción de materiales e instalaciones nucleares. El Departamento de Energía está obligado por la Ley Nacional de Política Ambiental (NEPA) a considerar el impacto ambiental de la manipulación, transporte y almacenamiento de material nuclear. [9] [19] 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, equipos de monitoreo equipados con equipo de apoyo altamente especializado y estaciones automatizadas se despliegan alrededor del sitio de lanzamiento para identificar posibles liberaciones de material radiactivo, cuantificar y describir el alcance de la liberación, predecir la cantidad y distribución del material dispersado y desarrollar y recomendar acciones de protección. [20]
A nivel mundial, tras el incidente COSMOS 954 de 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 aprobó la resolución 47/68, titulada "Principios pertinentes a la utilización de fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre". [21] Estos principios abordan principalmente la evaluación de la seguridad, el intercambio de información y el diálogo internacionales, la responsabilidad y la compensación. Estipulan que la Comisión sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos debe revisar los principios a más tardar dos años después de su aprobación. [21] Después de años de consultas y deliberaciones, en 2009 se aprobó el Marco internacional de seguridad para las aplicaciones de fuentes de energía nuclear en el espacio ultraterrestre con el fin de mejorar la seguridad de las misiones espaciales que utilizan fuentes de energía nuclear. Ofrece orientación para ingenieros y diseñadores de misiones, aunque su aplicación efectiva requiere la integración en los procesos existentes. [22] [23]
El "Marco de seguridad" establece 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 de la energía nuclear espacial en comparación con las alternativas potenciales y demostrar su uso basándose en evaluaciones de seguridad exhaustivas, incluido el análisis de riesgos probabilísticos, con especial atención al riesgo de exposición pública a radiaciones nocivas o materiales radiactivos. Las naciones también deben establecer y mantener órganos y sistemas de supervisión de la seguridad sólidos y una preparación para emergencias para minimizar la probabilidad y mitigar las consecuencias de posibles accidentes. [23] A diferencia de los "Principios" de 1992, el "Marco de seguridad" se aplica a todos los tipos de desarrollo y aplicaciones de fuentes de energía nuclear espacial, no sólo a las tecnologías existentes en ese momento. [22]
En el proyecto de informe sobre la aplicación 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 la aplicación de sistemas y políticas nacionales 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 en el espacio ultraterrestre también reconocen y aceptan el valor de este marco, teniendo en cuenta las cuestiones de seguridad asociadas a esas aplicaciones. [24]
Aunque la energía solar es mucho más utilizada, la energía nuclear puede ofrecer ventajas en algunas áreas. Las células solares, aunque eficientes, sólo pueden suministrar energía a naves espaciales en órbitas donde el flujo solar es suficientemente alto, como la órbita baja de la Tierra y destinos interplanetarios lo suficientemente cercanos al Sol. A diferencia de las células solares, los sistemas de energía nuclear funcionan independientemente de la luz solar, que es necesaria para la exploración del espacio profundo . Los sistemas basados en energía 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 soporte vital como los de propulsión pueden reducir tanto el costo como el tiempo de vuelo. [25]
Algunas aplicaciones y/o tecnologías seleccionadas para el espacio incluyen:
Como los detectores electromagnéticos activos, incluido el radar, observan una caída de potencia en función de la distancia , son deseables órbitas terrestres comparativamente bajas.
La Unión Soviética no lanzó misiones interplanetarias más allá de Marte y, en general, desarrolló pocos RTG. [26] Los RTG estadounidenses de la década de 1970 suministraban energía en el rango de los 100 W. [27] Para los satélites de radar militares RORSAT (1967-1988), se desarrollaron reactores de fisión, especialmente el BES-5 , para suministrar un promedio de 2 kW al radar. A altitudes promedio de 255,3 km, se habrían desintegrado rápidamente si hubieran utilizado un gran panel solar en su lugar. [17]
El posterior programa de satélites de radar Lacrosse/Onyx de los Estados Unidos , que comenzó a lanzarse en 1988, operó a altitudes de entre 420 y 718 km. Para alimentar el radar a esa distancia, se utilizó un panel solar de 45 m de longitud que, según se especula, suministraba entre 10 y 20 kW. [28]
Durante más de cincuenta años, los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) han sido la principal fuente de energía nuclear de los Estados Unidos en el espacio. Los RTG ofrecen muchos beneficios: son relativamente seguros y no requieren mantenimiento, son resistentes en condiciones adversas 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 alimentar 25 naves espaciales estadounidenses diferentes, algunas de las cuales han estado operando durante más de 20 años. Más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos se han utilizado en todo el mundo (principalmente en Estados Unidos y la URSS) en misiones espaciales. [33]
El generador avanzado de radioisótopos Stirling (ASRG, un modelo del generador de radioisótopos Stirling (SRG)) produce aproximadamente cuatro veces la energía eléctrica de un RTG por unidad de combustible nuclear, pero no se espera que las unidades listas para volar basadas en la tecnología Stirling estén disponibles hasta 2028. [34] La NASA planea utilizar dos ASRG para explorar Titán en un futuro lejano. [ cita requerida ]
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Los generadores de energía de radioisótopos incluyen:
Las unidades de calentamiento de radioisótopos (RHU) también se utilizan en naves espaciales para calentar los instrumentos científicos a la temperatura adecuada para que funcionen de manera eficiente. Un modelo más grande de RHU llamado fuente de calor de uso general (GPHS) se utiliza para alimentar los RTG y el ASRG. [ cita requerida ]
Se han propuesto radioisótopos de desintegración extremadamente lenta para su uso en sondas interestelares con vidas medias de varias décadas. [35]
A partir de 2011, otra dirección de desarrollo fue un RTG asistido por reacciones nucleares subcríticas. [36]
Los sistemas de energía de fisión pueden utilizarse para alimentar los sistemas de calefacción o propulsión de una nave espacial. En términos de requisitos de calefacción, cuando las naves espaciales requieren más de 100 kW de energía, los sistemas de fisión son mucho más rentables que los RTG. [ cita requerida ]
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 . [37]
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 requerida ]
En las décadas de 1960 y 1970, la Unión Soviética desarrolló los reactores TOPAZ , que utilizan convertidores termoiónicos, aunque el primer vuelo de prueba no se realizó hasta 1987. [ cita requerida ]
En 1983, la NASA y otras agencias del gobierno de los Estados Unidos comenzaron a desarrollar un reactor espacial de próxima generación, el SP-100 , en virtud de contratos con General Electric y otros. En 1994, el programa SP-100 se canceló, en gran medida por razones políticas, con la idea de realizar una transición al sistema de reactor ruso TOPAZ-II . Aunque algunos prototipos del TOPAZ-II se probaron en tierra, el sistema nunca se desplegó en misiones espaciales estadounidenses. [38]
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. [39]
Entre los sistemas de exploración y naves espaciales con sistemas de energía de fisión propuestos se incluyen el SP-100 , el sistema de propulsión nuclear eléctrica JIMO y el sistema de energía de superficie por fisión . [33]
Se han desarrollado o están en desarrollo varios tipos de microrreactores nucleares para aplicaciones espaciales: [40]
Los sistemas de propulsión térmica nuclear (NTR) se basan en la potencia calorífica de un reactor de fisión, lo que ofrece un sistema de propulsión más eficiente que uno alimentado por reacciones químicas. La investigación actual se centra más en los sistemas eléctricos nucleares como fuente de energía para proporcionar empuje para propulsar naves espaciales que ya están en el espacio.
Otros reactores de fisión espacial para propulsar vehículos espaciales incluyen el reactor SAFE-400 y el HOMER-15. En 2020, Roscosmos (la Agencia Espacial Federal Rusa ) planea lanzar una nave espacial que utilice sistemas de propulsión de energía nuclear (desarrollados en el Centro de Investigación Keldysh ), que incluye un pequeño reactor de fisión refrigerado por gas con 1 MWe. [41] [42]
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 varios premios a diseños preliminares completados a fines de 2021, mientras que en una segunda fase, 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. [43]
En 2002, la NASA anunció una iniciativa para desarrollar sistemas nucleares, que más tarde se conocería como Proyecto Prometeo . Una parte importante del Proyecto Prometeo fue desarrollar el generador de radioisótopos Stirling y el generador termoeléctrico multimisión, ambos tipos de RTG. El proyecto también tenía como objetivo producir un sistema de reactor de fisión espacial seguro y duradero para la energía y propulsión de una nave espacial, reemplazando a los RTG utilizados durante mucho tiempo. Las limitaciones presupuestarias resultaron en la detención efectiva del proyecto, pero el Proyecto Prometeo ha tenido éxito en la prueba de nuevos sistemas. [44] 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. [45]
Una galería de imágenes de sistemas de energía nuclear espacial.
Energía nuclear espacial: desde 1961, los EE. UU. han volado más de 40 generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) con un historial operativo esencialmente perfecto. Los detalles de estos RTG y las misiones que han impulsado se han revisado exhaustivamente en la literatura abierta. Los EE. UU. han volado solo un reactor, que se describe a continuación. La Unión Soviética ha volado solo 2 RTG y había mostrado preferencia por usar pequeños sistemas de energía de fisión en lugar de RTG. La URSS tenía un programa de energía de fisión espacial más agresivo que los EE. UU. y tenía en funcionamiento más de 30 reactores. Aunque estaban diseñados para una vida útil corta, el programa demostró el uso exitoso de diseños y tecnologías comunes.
![Cáscara al rojo vivo que contiene plutonio en proceso de desintegración nuclear, dentro del Laboratorio Científico de Marte (MMRTG).[46] El 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)
