Las misiones espaciales que duren varias décadas, o incluso más, requerirán una nueva generación de fuentes de alimentación.
El sistema de energía es un componente vital de la nave espacial. Estos sistemas deben ser extremadamente confiables y estar diseñados para soportar entornos hostiles.
Los dispositivos sofisticados de hoy en día requieren cada vez más energía: ¿cuál es el futuro de sus fuentes de alimentación?
Un teléfono inteligente moderno promedio apenas puede durar un día con una sola carga. Y la sonda Voyager, lanzada hace 38 años, sigue transmitiendo señales a la Tierra después de dejar el sistema solar.
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Las computadoras Voyager son capaces de realizar 81 mil operaciones por segundo, pero el procesador de un teléfono inteligente es siete mil veces más rápido.
Al diseñar un teléfono, por supuesto, se supone que se recargará regularmente y es poco probable que esté a varios millones de kilómetros de la toma de corriente más cercana.
No funcionará para cargar la batería de la nave espacial, que, según el plan, debería estar ubicada a cien millones de kilómetros de la fuente actual, no funcionará; debe poder llevar baterías de capacidad suficiente a bordo para operar durante décadas, o generar electricidad por sí misma.
Resulta bastante difícil resolver un problema de diseño de este tipo.
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Algunos dispositivos a bordo solo necesitan electricidad de vez en cuando, pero otros necesitan funcionar continuamente.
Los receptores y transmisores siempre deben estar encendidos, y en vuelos tripulados o en una estación espacial tripulada, los sistemas de iluminación y de soporte vital también deben estar encendidos.
El Dr. Rao Surampudi dirige el Programa de Tecnología Energética en el Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto de Tecnología de California en los Estados Unidos. Durante más de 30 años ha estado desarrollando sistemas de energía para varios vehículos de la NASA.
Según él, el sistema energético suele representar alrededor del 30% de la masa total de la nave espacial. Resuelve tres tareas principales:
- generación eléctrica
- almacenamiento de electricidad
- distribución de electricidad
Todas estas partes del sistema son vitales para el funcionamiento del aparato. Deben ser livianos, duraderos y tener una alta "densidad de energía", es decir, generar mucha energía con un volumen bastante pequeño.
Además, deben ser fiables, ya que enviar una persona al espacio para arreglar averías es muy poco práctico.
El sistema no solo debe generar suficiente energía para todas las necesidades, sino que también debe hacerlo durante todo el vuelo, y puede durar décadas y, en el futuro, quizás siglos.
“La vida útil del diseño debería ser larga; si algo se rompe, no habrá nadie a quien reparar”, dice Surampudi. "El vuelo a Júpiter tarda de cinco a siete años, a Plutón más de 10, y se tarda de 20 a 30 años en abandonar el sistema solar".
Los sistemas de energía de una nave espacial se encuentran en condiciones muy específicas: deben permanecer operativos en ausencia de gravedad, en el vacío, bajo la influencia de radiación muy intensa (que inutilizaría la mayoría de los dispositivos electrónicos convencionales) y temperaturas extremas.
"Si aterriza en Venus, entonces 460 grados serán por la borda", dice el especialista. "Y al aterrizar en Júpiter, la temperatura será de menos 150".
Las naves espaciales que se dirigen hacia el centro del sistema solar no tienen escasez de energía recolectada por sus paneles fotovoltaicos.
Estos paneles se ven un poco diferentes de los paneles solares instalados en los techos de los edificios residenciales, pero al mismo tiempo funcionan con una eficiencia mucho mayor.
Hace mucho calor cerca del sol y los paneles fotovoltaicos pueden sobrecalentarse. Para evitar esto, los paneles están alejados del sol.
En órbita planetaria, los paneles fotovoltaicos son menos eficientes: generan menos energía, ya que de vez en cuando están cercados del Sol por el propio planeta. En situaciones como esta, se necesita un sistema de almacenamiento de energía confiable.
Solución atómica
Dicho sistema se puede construir sobre la base de baterías de níquel-hidrógeno, que pueden soportar más de 50 mil ciclos de carga y durar más de 15 años.
A diferencia de las baterías convencionales, que no funcionan en el espacio, estas baterías están selladas y pueden funcionar normalmente en el vacío.
A medida que nos alejamos del Sol, el nivel de radiación solar disminuye naturalmente: para la Tierra es de 1374 vatios por metro cuadrado, para Júpiter - 50, y para Plutón - solo un vatio por metro cuadrado.
Por tanto, si la nave espacial abandona la órbita de Júpiter, utiliza sistemas de energía atómica.
El más común de ellos es el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) utilizado en las sondas Voyager y Cassini y en el rover Curiosity.
No hay partes móviles en estas fuentes de alimentación. Generan energía mediante la descomposición de isótopos radiactivos como el plutonio. Su vida útil supera los 30 años.
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Si es imposible usar un RTG (por ejemplo, si se necesita una pantalla que es demasiado masiva para el vuelo para proteger a la tripulación de la radiación), y los paneles fotovoltaicos no son adecuados debido a una distancia demasiado grande del Sol, entonces se pueden usar celdas de combustible.
Las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno se utilizaron en los programas espaciales estadounidenses Gemini y Apollo. Estas células no se pueden recargar, pero liberan mucha energía y un subproducto de este proceso es el agua, que la tripulación puede beber.
La NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro están trabajando para crear sistemas más potentes, intensivos en energía y compactos con una larga vida útil.
Pero las nuevas naves espaciales necesitan cada vez más energía: sus sistemas a bordo se vuelven constantemente complejos y consumen mucha electricidad.
Esto es especialmente cierto para los barcos que utilizan un propulsor eléctrico, por ejemplo, el dispositivo de propulsión de iones, utilizado por primera vez en la sonda Deep Space 1 en 1998 y desde entonces se ha generalizado.
Los motores eléctricos suelen funcionar expulsando combustible eléctricamente a alta velocidad, pero existen aquellos que aceleran el aparato mediante la interacción electrodinámica con los campos magnéticos de los planetas.
La mayoría de los sistemas energéticos de la Tierra no son capaces de operar en el espacio. Por lo tanto, cualquier esquema nuevo pasa por una serie de pruebas serias antes de ser instalado en una nave espacial.
Los laboratorios de la NASA recrean las duras condiciones en las que tendrá que funcionar el nuevo dispositivo: es irradiado con radiación y sometido a cambios extremos de temperatura.
Hacia nuevas fronteras
Es posible que en futuros vuelos se utilicen generadores de radioisótopos Stirling mejorados. Funcionan con un principio similar al RTG, pero mucho más eficiente.
Además, se pueden hacer muy pequeños, aunque el diseño es aún más complicado.
Se están construyendo nuevas baterías para el vuelo planeado de la NASA a Europa, una de las lunas de Júpiter. Podrán operar a temperaturas que oscilan entre -80 y -100 grados.
Y las nuevas baterías de iones de litio en las que están trabajando los diseñadores tendrán el doble de capacidad que las actuales. Con su ayuda, los astronautas pueden, por ejemplo, pasar el doble de tiempo en la superficie lunar antes de regresar a la nave para recargarse.
También se están diseñando nuevos paneles solares que podrían recolectar energía de manera eficiente en condiciones de poca luz y bajas temperaturas, lo que permitirá que los dispositivos en paneles fotovoltaicos se alejen del sol.
En algún momento, la NASA tiene la intención de establecer una base permanente en Marte, y posiblemente en planetas más distantes.
Los sistemas de energía de tales asentamientos deberían ser mucho más poderosos que los que se utilizan en el espacio hoy en día y estar diseñados para un funcionamiento mucho más prolongado.
Hay mucho helio-3 en la Luna; este isótopo rara vez se encuentra en la Tierra y es el combustible ideal para las centrales termonucleares. Sin embargo, todavía no ha sido posible lograr una estabilidad suficiente de la fusión termonuclear para utilizar esta fuente de energía en naves espaciales.
Además, los reactores termonucleares actualmente existentes ocupan el área de un hangar de aviones, y de esta forma es imposible utilizarlos para vuelos espaciales.
¿Es posible utilizar reactores nucleares convencionales, especialmente en vehículos con propulsión eléctrica y en misiones planificadas a la Luna y Marte?
En este caso, la colonia no tiene que utilizar una fuente de electricidad separada; el reactor de un barco puede desempeñar su función.
Para vuelos de larga duración, es posible que se utilicen hélices atómico-eléctricas.
“La Misión de Desviación de Asteroides requiere grandes paneles solares para tener suficiente energía eléctrica para maniobrar alrededor del asteroide”, dice Surampudi. "Actualmente estamos considerando una opción de propulsión solar-eléctrica, pero la atómica-eléctrica sería más barata".
Sin embargo, es poco probable que veamos naves espaciales de propulsión nuclear en un futuro próximo.
“Esta tecnología aún no está lo suficientemente desarrollada. Debemos estar absolutamente seguros de su seguridad antes de lanzar un dispositivo de este tipo al espacio”, explica el especialista.
Se requieren más pruebas rigurosas para garantizar que el reactor sea capaz de soportar los rigores de los vuelos espaciales.
Todos estos prometedores sistemas de energía permitirán que las naves espaciales duren más y vuelen largas distancias, pero hasta ahora se encuentran en las primeras etapas de desarrollo.
Cuando las pruebas se completen con éxito, dichos sistemas se convertirán en un componente obligatorio de los vuelos a Marte y más allá.
