La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), que forma parte del Departamento de Defensa de los EE.UU., otorgó a la empresa Gryphon Technologies una orden de trabajo de 14 millones de dólares para el programa DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations).
Así, Gryphon brindará apoyo al desarrollo y demostración de un sistema de propulsión térmica nuclear (NTP, nuclear thermal propulsion) de uranio poco enriquecido (HALEU). El HALEU («High Assay») está en el máximo legal de enriquecimiento fijado por el Organismo Internacional de Energía Atómica para uso en reactores nucleares civiles: casi un 20% de su masa es isótopo 235.
El enriquecimiento mide la cantidad del isótopo físil (uranio 235) contra la del isótopo fértil (uranio 238). El uranio natural, sin enriquecimiento alguno, tiene apenas un 0,73% de uranio 235. Es un contraste con uranio LEU (Low Enrichment Uranium), o «grado central nucleoeléctrica», que está entre el 1,8% y el 5%, y el HALEU o «grado reactor», que está cerca del 20%, considerado el valor tope legal para venta internacional. Los reactores de investigación y/o producción, como el RA-3 o el RA-6 argentinos, se usan para fabricar radioisótopos médicos o hacer experimentos en física y ciencia de materiales. Si se toma como materia prima HALEU con un 20% y se tiene una planta de enriquecimiento de gran capacidad, no es demasiado complicado llegar encima del 90% de enriquecimiento del HEU (High Enrichment Uranium). El HEU es lo que se usa en los motores de los submarinos y portaaviones de propulsión nuclear, o el que forma el «carozo» físil explosivo de la bomba atómica de uranio.
De modo que puede resultar sorprendente que con HALEU del 20% se tenga potencia suficiente para hacer volar un cohete, pero no lo es tanto. Es tanta la energía térmica potencial encerrada en el uranio, incluso el natural (el más flojo), que dos centrales argentinas con este tipo de combustible (Atucha I y Embalse), una chica y una mediana, sustituyen entre ambas el quemado de 1600 millones de m3 de gas natural/año.
Para decirlo de otro modo, el cohete lunar de DARPA usará HALEU, el mismo grado de enriquecimiento de uranio que el reactor de la CNEA en Ezeiza, que fabrica tranquilamente radiofármacos desde 1973 sin moverse de su sitio. Pero la máquina norteamericana nuclear-térmica está hecha para volar hacia Marte y los asteroides.
“El nuevo cohete permitirá a los militares estadounidenses operar naves espaciales en el espacio cislunar”, señaló Gryphon. Espacio cislunar se llama a la región fuera de la atmósfera de la Tierra que se extiende más allá de la órbita de la Luna.
“Un sistema NTP demostrado con éxito proporcionará un salto adelante en la capacidad de propulsión espacial, permitiendo un tránsito ágil y rápido a grandes distancias en comparación con los enfoques de propulsión actuales”, aseguró la doctora Tabitha Dodson, ingeniera en jefe de Gryphon en el equipo de soporte y experta nacional en sistemas NTP.
Gryphon Technologies Inc. se especializa en ingeniería digital, cibernética, soluciones en la nube, análisis predictivo y soluciones y servicios técnicos para organizaciones de seguridad nacional.
Los sistemas NTP utilizan reactores de fisión para calentar propulsores como el hidrógeno a temperaturas extremas, luego expulsan el gas para crear empuje. Esta tecnología cuenta con una relación empuje-peso aproximadamente 10,000 veces mayor que la de los sistemas de propulsión eléctrica y un impulso específico, o eficiencia del propulsor, de dos a cinco veces mayor que la de los cohetes químicos tradicionales, escribieron funcionarios de DARPA en una descripción del programa DRACO.
Dentro del concepto de «tradicionales» están incluso los combustibles químicos criogénicos, hidrógeno y oxígeno líquidos, usados por lanzadores avanzados como el Ariane 5 para satelizar cargas pesadas a órbitas altas. Son una pesadilla tecnológica, por el frío extremo de ambos elementos en estado líquido, que fragiliza y destruye los componentes mecánicos de mezclado, como las bombas de impulsión. Sin embargo, en el campo de la cohetería química, no hay nada semejante combinación de baja masa y alta potencia térmica. Son (o eran) lo más avanzado.
Pero todos los combustibles químicos existentes, desde los sólidos de los misiles a los líquidos almacenables a temperatura ambiente, o los criogénicos, tienen un inconveniente enorme si se pretende dominar militarmente el interior del Sistema Solar: en despegue desde la Tierra y contra gravedad, los propelentes se acaban enseguida, apenas unos minutos de uso. La cohetería nuclear térmica, en cambio, es otra historia enteramente distinta y nueva.
Estas mejoras en la tecnología de propulsión son necesarias para «mantener el dominio espacial en el espacio cislunar, el volumen de espacio entre la Tierra y la Luna», dice la descripción de DRACO.
Hay otra cohetería, la llamada «eléctrica» o «iónica», probablemente la más eficiente de todas (más que la nuclear-térmica, sin duda) si se compara el impulso que permite en comparación con la masa de gases eyectados. Pero estos motores no despiden gases de combustión ni gases energizados por el calor nuclear, sino átomos de gases nobles de masa relativamente alta como el kriptón o el argón ionizados, y acelerados por campos eléctricos.
Los motores íonicos son los más ahorrativos para uso espacial. El próximo satélites de telecomunicaciones de la Argentina, el ARSAT-3, usará este tipo de motores para navegar y elevarse desde los 2000 km. de altura en que se separa de su lanzador, hasta su «sitio» de trabajo a 36.500 km. de altura sobre el Ecuador. Los ARSAT-1 y 2 hicieron este viaje monumental, de más de 400.000 km. lineales de longitud, gastando aproximadamente 1 tonelada cada uno de tetróxido de nitrógeno como oxidante, y monometilhidrazina como combustible. Pero un motor iónico puede hacer esto gastando apenas unas decenas de kilogramos de argón o kriptón. Y el peso ahorrado se puede invertir en equipos de comunicación y eléctricos de mayor potencia.
Los motores iónicos son aún más atractivos para reemplazo de los «thrusters» o minicohetes químicos, los que emplean los satélites como los ARSAT-1 y 2 para las pequeñas correcciones diarias de altura de órbita y orientación de antenas. Con disparos brevísimos, infrecuentes y muy calculados, se trata de que la reserva de combustibles químicos a bordo de los satélites dure más o menos lo mismo que la vida útil de las placas fotovoltaicas que proveen electricidad, o los componentes electrónicos de los equipos de comunicaciones: 15 años.
Por todo esto, los países espaciales vienen derivando de la cohetería química a la iónica. Pero vista con ojos militares, la cohetería iónica (o eléctrica) tiene tres contras: no permite despegues contra gravedad desde Tierra, y tampoco desde cuerpos con menor masa y menor gravitación, como la Luna o Marte. Ésa es la primera y decisiva.
La segunda contra es que la aceleración (y también el frenado) de un motor iónico es lentísimo. La tercera es que la electricidad necesaria para ionizar y expeler gases nobles se obtiene generalmente de placas fotovoltaicas. Y éstas generan cada vez menos electricidad a medida que se alejan del sol: al doble de la distancia promedio Luna-Sol, cuatro veces menos potencia, al triple de distancia, nueve veces menos: es una función cuadrática inversa.
Finalmente, esto de la distancia al sol es el ángulo ganador de la propulsión nuclear-térmica comparada contra la iónica. Dicho en plan «Flash Gordon»: la ocupación militar de un asteroide valioso por su contenido en metales nobles se puede hacer por sorpresa y sin preguntarle a nadie, aunque el sol en esos andurriales del Sistema Solar da muy poca potencia. Fuera de ello, ambas propulsiones, la iónica y la nuclear-térmica, tienen un mismo límite intrínseco e independiente de si el Sol brilla mucho o poco: cuando se gastó el propelente, se acabó la propulsión.
Desde el proyecto Orión, varias décadas atrás, en Estados Unidos -y sin duda en Rusia y China- se ha especulado en utilizar la energía nuclear para los vuelos espaciales. Este proyecto -aquí especulamos nosotros, en AgendAR- dará a las espacionaves velocidad, capacidad de maniobra y de carga que hasta ahora sólo encontramos en la ciencia ficción. Bueno, era hora…
Las operaciones planetarias civiles, de despegue o descenso en o desde planetas usarán mayormente cohetería química durante bastante tiempo, y las que impliquen moverse sin apuro entre los planetas rocosos e interiores del Sistema Solar, eso y motores iónicos. Es poco probable que veamos un motor nuclear-térmico en un despegue terrestre: el peso sumado del uranio y del blindaje contra la radiación volvería pesadísimo al cohete. Y desde el ángulo de la seguridad, un accidente en despegue sería un asunto radiológicamente muy grave.
Pero las operaciones militares de muy largo alcance probablemente necesiten de algo no sólo más potente, sino más durable que los motores químicos y eléctricos. Draco va en esa dirección.