28 de Diciembre de 2022
Exploración espacial

Naves espaciales impulsadas por residuos nucleares

Un programa de la Agencia Espacial Europea busca desarrollar baterías alimentadas por un isótopo radiactivo para realizar misiones de larga duración en el sistema solar.

La Agencia Espacial Europea espera que su proyecto Argonaut (del que aquí se muestra una recreación artística) estrene las baterías basadas en el isótopo radiactivo americio-241. [ESA/ T. Nilsson]

Un equipo de científicos europeos está desarrollando una batería para misiones espaciales alimentada por residuos nucleares. La Agencia Espacial Europea (ESA) espera que, a finales de esta década, ese dispositivo permita lanzar naves espaciales que puedan explorar la Luna y los confines del sistema solar sin depender de paneles solares ni del equipamiento de sus socios internacionales.

En el Consejo de Ministros de la ESA (formado por los ministros que se ocupan de los temas espaciales en los distintos Estados miembros) que se celebró en París el 22 y 23 de noviembre, se acordó financiar un programa de 29 millones de euros llamado Dispositivos Europeos que Utilizan Energía de Radioisótopos (ENDURE). El objetivo es crear generadores duraderos de electricidad y calor a base de americio-241, un elemento radioactivo, a tiempo para una serie de misiones lunares de la ESA que despegarán a principios de la próxima década.

«Si queremos ser autónomos a la hora de explorar, necesitamos estas técnicas», argumenta Jason Hatton, quien codirige ENDURE desde el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) de Noordwijk. Las crecientes ambiciones espaciales de la ESA implican que la agencia precisa su propia fuente de energía de larga duración, añade Hatton.

Isótopo 241

El americio, un subproducto de la desintegración del plutonio, nunca se ha usado como combustible. En las misiones donde la energía solar no es suficiente, ya sea porque la nave queda a la sombra o se halla muy lejos del Sol, la ESA recurre a sus socios estadounidenses o rusos, que llevan usando baterías de plutonio-238 desde la carrera espacial. Por ejemplo, las baterías de plutonio de la NASA mantuvieron la temperatura de la sonda Huygens durante su descenso de 2005 a Titán, una de las lunas de Saturno. Sin embargo, en los últimos diez años el plutonio-238 ha escaseado, y generarlo resulta caro.

Además, la ESA cortó los lazos con Rusia después de la invasión de Ucrania. «La situación política actual demuestra que no siempre puedes depender de tus socios», subraya Athena Coustenis, astrofísica del Observatorio de París y presidenta de un comité asesor de la ESA que apoyó el nuevo programa.

Hace tiempo que la falta de una fuente de energía limita las misiones independientes que se proponen en Europa. La ESA fue víctima de su carencia de energía radioisotópica en 2014, cuando la sonda Philae (tras posarse sobre la superficie helada del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko) estuvo operativa menos de tres días por culpa de haber aterrizado en una zona de penumbra donde los paneles solares eran inservibles. «Los científicos europeos llevan años insistiendo en que no hay otro modo de ir lejos, o a sitios oscuros y fríos», relata Coustenis.

¿Mejor que el plutonio?

La gran ventaja del americio respecto al plutonio es que es más barato y abundante, dado que se reutilizan residuos que no tendrían ninguna otra función, explica Véronique Ferlet-Cavrois, codirectora de ENDURE en el ESTEC.

El plutonio-238 se produce en un proceso de dos etapas que consiste en irradiar un blanco de neptunio con neutrones. Los investigadores del Laboratorio Nuclear Nacional (NNL) del Reino Unido han demostrado que el americio se puede extraer reprocesando el combustible nuclear usado en las centrales energéticas, para crear las pellas de combustible en que se basan las baterías. Parte del programa ENDURE se dedicará a aumentar la producción de americio para abastecer las baterías, comenta Hatton.

El americio tiene un periodo de semidesintegración más largo que el del plutonio-238, por lo que dura más, aunque proporciona menos energía por gramo. Sin embargo, como el americio es más accesible, producir un vatio de potencia cuesta cinco veces menos que con el plutonio, aduce Markus Landgraf, que coordina los trabajos relacionados con las futuras misiones lunares del ESTEC.

Durante los próximos tres años, el equipo de ENDURE convertirá los prototipos en modelos que se puedan poner a prueba en condiciones similares a las de las misiones, antes de producir los dispositivos finales. Un grupo de la Universidad de Leicester, en colaboración con el NNL, ha desarrollado dos tipos de aparatos radioisotópicos: una unidad calefactora que calienta los instrumentos con el calor generado en la desintegración del americio, y generadores termoeléctricos que usan dicho calor para producir electricidad, creando una diferencia de temperatura entre placas de metal.

En el diseño de esos dispositivos se ha tenido en cuenta que (en comparación con el plutonio) el americio requiere mayores volúmenes para obtener la misma energía, así como temperaturas más bajas, de acuerdo con Richard Ambrosi, físico y experto en sistemas de energía espaciales que dirige el equipo de la Universidad de Leicester.

La seguridad también es primordial, debido al uso de material radiactivo. Los dispositivos están envueltos en capas con una aleación de platino, que sella el americio y permite que el calor escape, explica Ambrosi. La siguiente fase del programa se centrará en los ensayos de seguridad que permitirán aprobar las unidades con americio para el lanzamiento. Las pruebas incluirán un análisis de la respuesta de los componentes a las temperaturas elevadas y al impacto (condiciones que podrían darse, por ejemplo, si tuviera lugar una explosión de la plataforma de lanzamiento) para confirmar que no hay fugas de material radiactivo. «Tenemos que superar toda una serie de escenarios muy extremos», concluye Ambrosi.

Baterías en la Luna

Una vez desarrollado, el mismo sistema de energía básico se podría reutilizar en misiones donde la energía solar no es una opción, señala Ferlet-Cavrois. Eso puede suceder en la Luna, cuyas noches duran 14 días terrestres, y en expediciones que vayan más allá de Júpiter. Para soportar las duras noches lunares, el vehículo explorador de la misión china Chang’e-4 (actualmente activo) usa unidades calefactoras de plutonio construidas en colaboración con Rusia.

La ESA quiere estrenar las fuentes de energía de americio con el lanzamiento del aterrizador lunar Argonaut, previsto para dentro de unos diez años. Las misiones Argonaut llevarán a cabo estudios prolongados en la superficie de la Luna y darán apoyo a los astronautas que trabajen ahí, según Landgraf. Y en la década de 2040, la ESA espera enviar una misión a Urano y Neptuno, añade Ferlet-Cavrois. Esos gigantes de hielo solo se han estudiado cuando la sonda Voyager 2 de la NASA los sobrevoló en los años 80.

Dada la disponibilidad del americio (y los problemas que conlleva la producción de plutonio-238), la NASA también podría querer usarlo, opina Landgraf. La agencia estadounidense ya está evaluando su capacidad para fabricar suficientes generadores termoeléctricos radioisotópicos de cara a sus próximas misiones. «[Los responsables de la NASA] consideran que nuestro americio es muy interesante» para su programa Artemis, con el que aspiran a establecerse en la Luna a largo plazo, asegura Landgraf.

Han sido necesarios más de diez años de investigación para alcanzar un punto en el que la técnica del americio se puede adaptar para misiones reales, concluye Ambrosi. «La emoción se palpa en el ambiente. Llevamos mucho tiempo trabajando en esto.»

Elizabeth Gibney/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

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