Una conquista espacial alternativa

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Para comprender mejor las inmensas posibilidades de los cohetes en el terreno de la Astronáutica, recordemos sus principios básicos. Ante todo debemos partir de la idea de que un cohete es un aparato volador que se desplaza siguiendo los principios expuestos por Isaac Newton en su famosa Tercera Ley del Movimiento: A una fuerza llamada acción se opone otra llamada reacción, de igual magnitud, pero de sentido contrario.



Un ejemplo práctico está en la siguiente animación:

Pero debido a la temática que anima a este post un ejemplo más atinente sería demostrar que a esta fuerza de reacción la podemos comprobar experimentalmente observando el retroceso que sufre un cañón o cualquier otro tipo de arma, cuando dispara sus proyectiles.



Si colocásemos un cañón de tiro rápido sobre un vagón de ferrocarril y empezásemos a dispararlo en una misma dirección, el vagón empezaría a moverse en el sentido opuesto, y si los disparos se sucediesen a un ritmo más rápido que la duración del impulso de retroceso, éste se incrementaría sucesivamente y la vagoneta adquiriría una velocidad y una aceleración crecientes.
El fenómeno se intensificaría si se arrojasen proyectiles más pequeños y en mayor cantidad, o a mayores velocidades. Lo ideal sería que se disparasen moléculas de un fluido a su máxima velocidad. Esto es lo que se produce en el cohete cuando expulsa los gases producidos durante su combustión, obtenidos mediante la reacción química de sus dos substancias componentes: el combustible y el comburente.






La utilización de combustibles y comburentes, llamados en conjunto propergoles, de naturaleza sólida o líquida, dará lugar a tres tipos diferenciados de cohetes. Los denominados cohetes a propergoles líquidos, los cohetes a propergoles sólidos y los cohetes híbridos, donde uno de los componentes es sólido y el otro líquido.
Los cohetes a propergoles líquidos, de construcción bastante más compleja que los otros por la necesidad de llevar depósitos aislados y sistemas de bombeo de cada uno de los líquidos a la cámara de combustión, son generalmente de bastante mayor potencia que los de propergoles sólidos, por lo que se utilizan fundamentalmente en los aparatos que necesitan enviar al espacio grandes masas.
En este caso el combustible es queroseno y el comburente oxígeno líquido, mantenido en ese estado mediante altas presiones y bajas temperaturas en los depósitos. En la actualidad esos son los propergoles líquidos más empleados aunque también se utilicen el ácido nítrico, el peróxido de nitrógeno y el ozono líquido como comburentes y el alcohol, la hidracina o el hidrógeno líquido como combustibles. La combinación ideal sería la de hidrógeno-oxígeno líquido por proporcionar la máxima velocidad a los gases de escape.






Esto demuestra la importancia que tiene para la velocidad final del cohete el incremento en la razón de masas.


La carga útil




Sin embargo la razón de masas no puede aumentar indefinidamente, pues el cohete está previsto para que transporte algún tipo de elemento que constituiría su carga útil. Las cápsulas espaciales y sus tripulantes, los satélites artificiales, o los instrumentos de diversos tipos que se envían al espacio en el cohete serán los componentes de esta carga y limitarán la razón de masas del mismo, si bien, la mayor parte del peso del cohete estará constituida por los propergoles.



La carga útil llega a ocupar solamente desde un escaso 0,4 a un 2 % del peso total del aparato, lo que supone un rendimiento bastante bajo en comparación con cualquier otro vehículo de transporte.

Como en muchos casos no es suficiente un solo cohete para elevar una carga útil determinada, se pueden agrupar varios de ellos en forma de racimo, es decir en paralelo, y encenderlos todos a la vez, de forma que el empuje resultante sea la suma de todos los componentes del grupo.



Hoy día todos los grandes cohetes utilizados en Astronáutica recurren a este procedimiento y así tuvimos a los gigantescos Saturno IV y Saturno V americanos, compuestos por ocho motores en racimo que le proporcionan un empuje total de 745 t y por cinco motores principales, en su primera fase a base de quemar oxígeno líquido y queroseno que le proporcionaban un empuje de 3.500 Tm.















Una de las oportunidades más prometedoras en la expansión de la tecnología de motores cohete más potentes fue la propuesta de la propulsión nuclear. A diferencia del motor cohete químico que emplea la combustión para el aprovechamiento de los gases propulsores que son expulsados ​​a través de la tobera para producir empuje, un cohete nuclear utiliza un reactor nuclear para el sobrecalentamiento de un combustible ligero, convenientemente se plantea el uso del hidrógeno, el más ligero de los elementos químicos.

Aunque los motores químicos y los de ingeniería nuclear comparten limitaciones similares, el peso molecular muy bajo del hidrógeno en comparación con el del producto de la combustión del motor ideal de hidrógeno-oxígeno, permite la eyección de los gases a velocidades y presiones mucho más altas para una temperatura dada en el motor.
Esto explica también un ISP tres veces superior partiendo del orden de los 1000 segundos, pero tal motor ¿se podía construir?



Poco tiempo después de las primeras pruebas exitosas de las bombas nucleares, comenzaron los estudios con fines pacíficos utilizando esta fuente de energía pero ya en épocas de la IIGM, Stanislas Ulam y Frederick Hoffman, del Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) estudiaron la posibilidad de utilizar las explosiones nucleares para los viajes espaciales.

En julio de 1946, la aviación norteamericana y la Douglas Aircraft elevaron cada una un informe secreto sobre sus estudios internos para la propulsión nuclear en la recién creada Fuerza Aérea de los EE.UU.. (USAF) Estos informes indican la preferencia por el motor cohete nuclear de "transferencia térmica" (donde un reactor calienta un fluido) como el sistema de propulsión nuclear más prometedor.




Tal sistema de propulsión podría, en principio, ser incorporados en un ICBM para lanzar cabezas nucleares desde cualquier parte del mundo. Pero a pesar del informe entusiasta y promesas tecnológicas se hizo patente que demasiados problemas técnicos deberían resolverse primero. Aparte de estos informes secretos, un grupo de ingenieros del Laboratorio de Física Aplicada de la John Hopkins University habían publicado los resultados de su investigación en enero de 1947.

En 1948 y 1949, dos británicos, A. V. Cleaver y L. R. Pastor también publicaron una serie de artículos en la Revista de la Sociedad Interplanetaria Británica sobre el mismo tema. Justo antes de que estos artículos fueran publicados, un científico chino llamado H.S. Tsien (que más tarde dirigió el programa de armas nucleares de China) hizo una presentación en el Instituto de Tecnología de Massachusetts sobre cohetes nucleares térmicos.




En octubre de 1954 a sugerencia de Theodore von Kármán y tras una petición del general H. B. Thatcher, un comité ad hoc del Consejo Científico Asesor se reunió en el Pentágono para examinar la aplicación de la energía nuclear para la propulsión de misiles. En su informe, el Comité "tomó nota de que había un vacío casi total en el estudio del cohete nuclear a partir de 1947 hasta que un informe de 1953 emitido por el Oak Ridge National Laboratory.dictamina que los problemas técnicos parecen ser muy graves y tras seis años no se avanzó nada en este ámbito lo que parece ser desafortunado, "
El Comité entendió que debería llevarse a cabo un continuo estudio analítico y experimental, más no sea en un modesto nivel de esfuerzo, .
En todos estos estudios, la conclusión fue que la propulsión nuclear parecía viable. Dado el número de personas que llegaron de forma independiente a las mismas conclusiones, es evidente que la USAF no tenía el monopolio en los estudios sobre la propulsión nuclear pero todo este entusiasmo por los cohetes nucleares había sido moderado tiempo después por un informe técnico de la fuerza.





El informe concluyó que un ICBM propulsado por un cohete nuclear no sería de utilidad práctica. Científicos norteamericanos creyeron que un cohete provisto de un reactor nuclear debería funcionar de forma continua a una excepcional temperatura de 3200 ° C , mucho más que los reactores existentes en ese momento.

Ningún material conocido por entonces podía soportar dichas temperaturas y mantener las propiedades mecánicas necesarias en un motor. Con este y otros problemas comenzaron los estudios a pesar de que el interés en un cohete nuclear había disminuido considerablemente durante los inicios de los años 50 .

Algunos científicos no estaban de acuerdo con las perspectivas pesimistas para los motores de cohetes nucleares. Si bien el desarrollo de motores de cohetes nucleares fue abandonado en gran medida después del informe de la Fuerza Aérea, el trabajo en aviones a turborreacción de energía nuclear continuó.





En los primeros años 50, Robert W. Bussard (arriba), que había trabajado en los sistemas de propulsión nuclear en aviones en el Oak Ridge National Laboratory (de la AEC, Comisión de Energía Atómica de los EE.UU.), examinó la viabilidad de los motores de los cohetes nucleares.




Llegó a la conclusión de que los informes anteriores eran demasiado pesimistas y que los cohetes nucleares fueran probablemente realizables]. Bussard consideraba que, efectivamente, podían competir con los cohetes químicos, especialmente en vuelos largos con cargas pesadas. En 1955, Bussard, basándose en cálculos y con capacidad para convencer a la USAF, había logrado reabrir los estudios de concepto para su posible uso en misiles balísticos intercontinentales.

Para el nuevo programa, la División de Propulsión Nuclear de al AEC-USAF dirigida por E. Raemer Schreiber fue creado en el LASL. Un grupo similar también se formó en el Lawrence Radiation Laboratory de la AEC en la Universidad de California. Pero los recortes presupuestarios de junio de 1956 habían reducido los programas en una fusión de los diversos grupos de estudio de la propulsión nuclear.



El resultado fue que Livermore tenía la responsabilidad de desarrollar un estatorreactor nuclear bajo el nombre código "Proyecto PLUTO ". El programa de cohete nuclear se le dio al laboratorio de Los Alamos, bajo el nombre código "Proyecto Rover."
Se realizaron unas series de estudios técnicos con nombres en clave de fantasía como "Dumbo" (un motor de diseño del reactor) y "Cóndor" (un cohete nuclear). Posteriormente, un concepto de reactor denominado "Kiwi" fue seleccionado. Al igual que su homónimo de Nueva Zelanda este Kiwi no podía volar, pero estos estudios eran, sin embargo, esenciales para el desarrollo de un motor de cohete nuclear operativa.

El objetivo principal del proyecto Rover / NERVA era desarrollar un motor de vuelo con 34.000kg de empuje nominal. La parte Rover del programa comenzó en 1955 con la dirección de la U.S Atomic Energy Comission , el Los Alamos Scientific Laboratory y la USAF que inicialmente quería un motor para aplicaciones en misiles, sin embargo, en 1958, la recién creada NASA heredó las responsabilidades de la Fuerza Aérea, pero con un motor orientado para el uso en misiones espaciales avanzadas y de largo plazo.




La parte NERVA no se originó hasta 1960 y el equipo industrial de Aerojet General Corporation y Westinghouse Electric tenían la responsabilidad de su desarrollo. En 1960, la NASA y la AEC crearon la Oficina Espacial de Propulsión Nuclear para la gestión del proyecto Rover / NERVA.



En los años siguientes se supervisó una serie de pruebas de reactores: KIWI-A, KIWI-B, Phoebus, Peewee y el horno nuclear, todos realizados por Los Alamos para demostrar conceptos y probar ideas avanzadas. Aerojet y Westinghouse a prueba su propia serie: NRX-A2 (Experimento Reactor NERVA ), ,TES (Test Engine System) A3, A5, A6, y el Primer XE-(motor experimental). Todos se pusieron a prueba en la Estación de Desarrollo de Cohetes Nucleares en el Sitio de Pruebas de la AEC, en Jackass Flats, Nevada, a unos 100 kilómetros al oeste de Las Vegas.



A finales de la década de 1960 y principios de 1970, la Administración del presidente Nixon recortó dramáticamente los fondos a la NASA y se canceló la financiación del proyecto NERVA .
Los recortes se hicieron en respuesta a la falta de interés del público en los vuelos espaciales tripulados, el final de la carrera espacial después del alunizaje de la última Apollo, y el uso cada vez mayor de sondas espaciales robóticas no tripuladas y de bajo costo . Finalmente el proyecto NERVA terminó en 1973.











Flujo de las radiaciones en torno al cohete NERVA








El Kiwi-A fue una serie de reactores de ensayo que empleaban hidrógeno comprimido para los estudios de los elementos de los motores nucleares para cohetes. El combustible, carburo de uranio, se coloca dentro de un núcleo de grafito que puede funcionar a altas temperaturas (3000 º C). El grafito puede soportar temperaturas de hasta 3300 ° C antes de comenzar a perder sus propiedades mecánicas, pero también es un excelente moderador que permite retrasar la producción de neutrones en la fisión.

Pero incluso antes de que el Kiwi-A se construyera, ya había cambios en el programa. Hacia finales de 1957, se hizo evidente para los planificadores que los misiles Atlas de la USAF proporcionarían capacidad intercontinental a los EE.UU. sin tener que recurrir a las tecnologías exóticas como los cohetes con motores nucleares. La gestación del programa nuclear para cohetes murió por segunda veztras el lanzamiento del Sputnik ruso el 4 de octubre de 1957.




El primer disparo del reactor Kiwi-A se llevó a cabo en julio de 1959 en los llanos de la Jackass Station, Nevada (a 236 km de Las Vegas). El motor funcionó con éxito durante cinco minutos, produciendo 70 megavatios de energía mientras que se alcanzaba una temperatura de 1500 ° C. En 1959 y 1960, dos reactores Kiwi-A adicionales habían sido probados con éxito. Un comienzo prometedor para el siguiente paso: los Kiwi-B.


Los ingenieros propusieron rápidamente la construcción de motores operativos . En otoño de 1960 se proponen construir el primer motor de cohete nuclear llamado NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, es decir, Aplicación de la Energía Nuclear para Cohetes).
El NERVA produce alrededor de 245 kN de empuje (alrededor de 25 toneladas de empuje) con un ISP cerca de 1000 segundos. En julio de 1961, Aerojet General Corporation fue seleccionado como el fabricante del motor, mientras que el laboratorio Astronuclear Westinghouse Electric Corporation fue la de construir el reactor NERVA



Faltaba entonces un vehículo que utilizara ese motor y debía ser diseñado. En mayo de 1962, el Marshall Space Flight Center de la NASA dio un contrato a la Lockheed Missile & Company para construir el RIFT (Reactor In-Flight Test).
Con la creación de la NASA el 1 de octubre de 1958, el programa de cohetes nucleares AEC-USAF se transformó en el AEC-NASA.

En agosto de 1960 dentro del programa fue creada la Space Nuclear Propulsion Office (SNPO con Harold B. Finger (quien siete años después pasaría a ser el Administrador de la NASA) como su director. El objetivo era desarrollar los cohetes nucleares que permitan a los EE.UU. vencer a la Unión Soviética en la carrera a la Luna y a los planetas. Mientras esto pasaba los ingenieros estaban ocupados preparando el primer equipo de prueba real.





Mientras tanto, el programa de pruebas comenzó con un Kiwi-B., modelos que pondrían a prueba el reactor para el vuelo real. Éstos fueron diseñados para funcionar a alrededor de 2000 ° K y producir 1,1 gigavatios de energía y a diferencia de la serie A, que utilizaba hidrógeno comprimido, el Kiwi-B se ejecutó con hidrógeno líquido.
En diciembre de 1961 un Kiwi-B1A fue probado con éxito usando hidrógeno comprimido. La primera prueba con hidrógeno líquido se llevó a cabo en septiembre de 1962 con un Kiwi-B1B.

Sin embargo, durante la prueba, el núcleo de grafito se dividió y los escombros quemados fueron expulsados por la boquilla. Con la esperanza de que este fracaso se debía simplemente a un componente defectuoso, el programa de análisis continúa con la prueba del Kiwi-B4A que fue el diseño final elegido para el reactor NERVA.





Pero en el intento del 20 de noviembre de 1962 inmediatamente se expulsaron desechos por la tobera del motor. Obviamente, hubo un error de diseño muy importante al romperse el núcleo de grafito con el hidrógeno líquido. Durante un año y medio, los ingenieros y los científicos tardaron en entender el problema y solucionarlo. A medida que el trabajo avanzaba lentamente se construyó un Kiwi-B modificado,







Los resultados de las pruebas reactores Kiwi son tan alentadores que la NASA emprendió el desarrollo de una nave que pueda ser colocada en la primera etapa de un cohete clásico pero el aumento de la potencia del reactor provoca problemas de suministro de hidrógeno y vibraciones en el motor. Lleva más de dos años dominar los defectos en el Kiwi serie B alimentado por hidrógeno líquido.


Dos proyectos pre-operacionales se materializan: el RIFT superior en el Marshall Space Flight Center de Huntsville (Alabama), y el NERVA encomendado a la empresa privada General Aerojet.. El aspecto es impresionante, ya que el RIFT pesa 50 t y el NERVA mide más de 7 m de largo.


















En 1965, la NASA comenzó a trabajar en un reactor experimental de alta potencia: Febo 1-A. En febrero de 1966, otro paso importante se obtiene con el primer reactor serie NRX , que tiene una duración de 110 minutos, 2 minutos ¡a más de 1.100 MW de energía eléctrica, a la altura de las centrales nucleares!
El cohete nuclear toma forma y 23 de febrero de l967,el Febo 1-B, la entrega de 34 toneladas de empuje y 5000 MW, lo que confirma la validez del concepto que se usa para el motor NERVA que Von Braun prevé para las etapas superiores de un cohete Saturn para las futuras misiones a Marte.









De marzo a septiembre de 1969, mientras que todos los ojos están puestos en las primeras misiones de aterrizaje en la Luna, el NERVA lleva a cabo una serie de pruebas satisfactorias, alcanzando un empuje de 25 toneladas.
A finales de ese año, los estadounidenses también pueden presumir de haber resuelto los principales problemas técnicos que plantea el desarrollo de un cohete nuclear: el suministro del propelente por turbobomba, la estabilización de la reacción en cadena, la parada y re-ignición del propelente, la contención del material en la cámara de combustión y de la tobera, la electrónica de control y de orientación, la eliminación de calor excedente y la protección contra la radiación.




El desarrollo del NERVA operativo de 34 toneladas y su montaje en un Saturno V era posible en breve pero para sorpresa de todos, el programa fue interrumpido abruptamente en 1972, cuando un propulsor NERVA 2 de 40 t de empuje y una potencia de 5000 MW estaba en desarrollo.
Los especialistas estadounidenses habían pasado de todos modos muchas barreras tecnológicas y estaban a punto después de una década de pruebas de poseer un propulsor de funcionamiento. La base de pruebas Jackass se cerró en 1973, antes de ser reabierta misteriosamente en 1991. Pero en el centro nuclear de Los Alamos , los estudios teóricos en realidad nunca han cesado...




Para una posible expedición tripulada a Marte, se preveían motores más potentes de 41,2 t de empuje. Empuje mucho mayor que el de los cohetes químicos grandes disponibles por entonces porque la misión comenzaría en la órbita terrestre.
Para crear las condiciones necesarias para el viaje interplanetario, los ingenieros desarrollaron una tecnología de "bloques de construcción" en la que los módulos independientes de propulsión NERVA pueden agruparse para satisfacer diversas necesidades.









Por razones de seguridad, se propuso la construcción de la expedición a Marte de dos naves similares que viajarían juntas con un equipo de seis hombres en cada uno de ellas con un aspecto que se parecían poco de las estaciones espaciales esperadas por mucho tiempo.

Existieron planes tan detallados que fijaban las acciones y fechas precisas: Por ejemplo:
Se proponía dejar la órbita de la Tierra el 12 de noviembre 1981 (de acuerdo con el plan uno), con el apareamiento de lanzadores gemelos contiguos al cilindro central para garantizar la propulsión necesario para poner en marcha la primera espacionave de camino a Marte. Hacia el final de la ruta de transferencia a Marte se separan para iniciar las maniobras de frenado que les permitan entrar en órbita alrededor del planeta.



La primera etapa de exploración se dedicaría a las observaciones desde la órbita y la liberación de sondas automáticas para probar diferentes sitios de aterrizaje..
Luego de analizar los resultados los equipos de descenso en una cápsula de aterrizaje de tipo Apollo, mientras que las naves nodriza seguirán estudiando científicamente la superficie y la atmósfera. Para ayudar a explorar los alrededores, los equipos de aterrizaje han llevado consigo Rovers eléctricos que trasladará a este equipo en un laboratorio para llevar a cabo in situ análisis del suelo y las rocas. La tripulación limitarían su estancia máxima a 30 días en la superficie de Marte.




Sin embargo, el viaje de regreso puede hacerse tan pronto como los equipos se hayan unido a sus naves nodrizas pero tendrían que esperar 80 días desde ese momento hasta que los tres planetas, Marte. Venus y la Tierra, se coloquen en la posición esperada en sus respectivas órbitas para iniciar el retorno. Si uno de los vehículos tuviera una falla los doce miembros de la expedición pueden pasar al otro.


A la hora programada, los motores se reinician para colocar en una trayectoria curva alrededor del sol. Esto los llevaría cerca de Venus con el fin de obtener una acción de frenado del campo gravitatorio solar para desviar el camino hacia la órbita de la Tierra. Después de un viaje de 640 días en total, las dos naves, una vez separados, entran órbita de la Tierra el 14 de agosto de 1983. Las tripulaciones luego serías trasladadas a otra nave espacial para volver a casa.



Wehner Von Braun, que había jugado un papel clave en el diseño de la misión, propuso que las grandes naves se estacionaran en órbita interplanetaria con el fin de utilizarlos para otras misiones después de pasar por un proceso de mantenimiento necesario y el llenado con hidrógeno para ser devueltos y reutilizados.
Varios factores se combinaron para impedir que el proyecto sea tomado en serio. En primer lugar, el alto costo de esta aventura que en 1969 parecía llegar a los límites de la tecnología. Además por entonces otro factor en contra era el impacto fundamental que tenía la guerra de Vietnam en la economía de los Estado Unidos. En tercer lugar era el avance en las técnicas de exploración robótica que proporcionaban información acerca de Marte por una pequeña parte de estos costos.
Por último, la atenuación del desafío soviético por ser los primeros en el espacio, si los rusos hubieran sido los primeros en aterrizar en la Luna la historia hubiera sido muy diferente. Por consiguiente, el proyecto NERVA. por la que millones de dólares se gastaron fue abandonado.









Fin del sueño

Varios factores se combinaron para eliminar el proyecto de seria consideración. En primer lugar, el alto costo de la empresa en la que en 1969, apareció para estirar la tecnología de los límites. En segundo lugar, el impacto de la guerra de Vietnam en la economía de los Estados Unidos, y el tercero, el avance de las técnicas de exploración robot que prometían para producir datos básicos sobre Marte, a una fracción del costo. Y en cuarto lugar, el reto de la Unión Soviética para ser el primero en el espacio se había desvanecido. (Si los rusos fue el primero en aterrizar en la Luna, podría haber sido una historia diferente.)

Como resultado, el proyecto NERVA, en la que cientos de millones de dólares se habían gastado, se dio por terminado. Probablemente fue una sabia decisión. Las reglas del juego establecidas por Ziolkovsky, que la exploración del Sistema Solar debe partir de una plataforma orbital en la órbita terrestre, parece ser lo básico para una empresa de este tipo.




El Bimodal Nuclear Thermal Rocket de la NASA fue otro de los posibles proyectos que podría haber llegado a etapas más avanzadas de desarrollo basándose en las reacciones nucleares de fisión similares a las empleadas con seguridad en las centrales nucleares, incluidas las de los submarinos.
La energía se utiliza para calentar el propelente hidrógeno líquido. Los defensores de las naves espaciales alimentadas por energía nuclear señalan que en el momento de su lanzamiento, no hay casi ninguna radiación liberada por los reactores nucleares. Los cohetes de propulsión nuclear no se utilizan para despegar de la Tierra.
Los cohetes térmicos nucleares pueden proporcionar grandes ventajas de rendimiento en comparación con sistemas de propulsión química. Las fuentes de energía nuclear también podrían ser utilizadas para proporcionar a la nave espacial la energía eléctrica para operaciones e instrumentación científica.



Carl Sagan escribió en su libro Cosmos:













































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