Motores nucleares térmicos

Todo el mundo sabe que la fisión nuclear permite generar enormes cantidades de energía, así que resulta natural pensar que podemos usarla de algún modo para propulsar un vehículo por el espacio. Pero, aunque intuitivamente estemos seguros de las bondades energéticas de la fisión, debemos demostrar primero que, efectivamente, un motor nuclear puede ser superior a uno químico. Para ello tenemos que entender básicamente el funcionamiento de un motor convencional. 

La eficiencia de un motor cohete se mide por el impulso específico (Isp), que es proporcional a la velocidad de escape de las partículas que salen por la tobera. Esta velocidad depende a su vez de la temperatura y la masa molecular de las partículas. Lo primero es fácil de entender: al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven más rápidamente. Al fin y al cabo, no olvidemos que la temperatura es en realidad una medida de la energía cinética de un sistema de partículas. 

Pero aquí nos encontramos con la primera gran limitación del motor cohete químico, ya que la temperatura de la cámara de combustión viene determinada por la reacción química que tiene lugar en ella. No podemos aumentar la temperatura sin cambiar de propergoles. De todas formas, no estamos hablando de temperaturas especialmente bajas. Por poner un ejemplo, un motor criogénico que quema hidrógeno y oxígeno líquidos puede alcanzar fácilmente 3000º C dentro de la cámara. 

Prueba de un motor principal del transbordador espacial (SSME), un motor químico criogénico

El segundo parámetro que influye en el Isp es también sencillo de asimilar. Cuanto menor sea la masa de las moléculas que escapan por la tobera, mayor será su velocidad, ya que si tenemos dos objetos de distinta masa con la misma energía cinética, el más ligero tendrá una velocidad mayor. En los motores químicos, esta masa viene dictada por el tipo de reacción que hayamos elegido. Por ejemplo, en un motor criogénico el escape está formado por moléculas de agua (con una masa de 18 uma-unidad de masa atomica- cada una). Es por esto que en este tipo de motor podemos obtener un mayor Isp si introducimos en la cámara de combustión más hidrógeno del necesario. Aunque la temperatura de la cámara desciende, esto se compensa por la mayor velocidad que adquieren las moléculas de hidrógeno (con una masa molecular de sólo 2 uma). 

Bien, entonces, ¿qué pasa con un motor nuclear térmico? En este caso, no estamos limitados por la temperatura, ya que teóricamente podemos alcanzar millones de grados celsius dentro de un reactor de fisión. En realidad, el problema es más bien el contrario: debemos aprender a controlar estas temperaturas tan elevadas sin que los materiales que forman la estructura del motor se fundan. 

En cuanto a la masa molecular del escape, podemos usar casi cualquier sustancia como propelente. Simplemente necesitamos que entre en contacto directo con el reactor para que se caliente y salga despedida por la tobera. En teoría podríamos usar agua, amoniaco, lejía o, incluso, un refresco gaseoso del supermercado, da lo mismo. Pero, como hemos visto, lo ideal es emplear una sustancia con la menor masa molecular posible, así que el hidrógeno es a veces el mejor candidato para servir como propelente en un motor nuclear. Y decimos a veces porque, a la hora de la verdad, esto no es tan simple. Para mantener el hidrógeno en estado líquido se necesita refrigerarlo hasta los -250º C, lo cual resulta complicado, especialmente si queremos usarlo en el espacio profundo. Además, a partir de los 2500 K, el hidrógeno molecular empieza a disociarse en hidrógeno atómico dentro de la cámara, disminuyendo el Isp final. Por estos motivos, hay diseños que emplean otras sustancias como metano o amoniaco. 

En cualquier caso, da lo mismo si usamos hidrógeno, metano, agua o amoniaco. Al hacer números tenemos que un motor térmico nuclear puede alcanzar sobre el papel un Isp de hasta 10000 segundos, mientras que el de un motor químico criogénico es de unos 450 segundos. Queda demostrado por tanto que, teóricamente, la propulsión térmica nuclear es mejor que la química. El siguiente paso es saber si es posible construir un motor de este tipo con la tecnología existente.

 Fuente: http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/8084750/Cohetes-nucleares_-a-la-conquista-del-Sistema-Solar.html
Samuel Alberto Beracasa Robles  C.I. Nº 15775106 Comunicaciones de RadioFrecuencia (CRF)