La gran frontera marciana: encontrando energía en Marte

Conchita GarciaMar 30, 2024

Poder: en la Tierra tendemos a darlo por sentado. La mayor parte de la energía de su hogar se genera mediante la quema de combustibles fósiles: el carbón y el gas natural representan aproximadamente el 61 por ciento de la energía estadounidense. Otro 20 por ciento se genera en centrales nucleares. Estos recursos no son renovables (los expertos estiman que pueden quedar entre 50 y 100 años de combustibles fósiles y más de 200 años de uranio natural), pero la Tierra también tiene acceso a un tesoro escondido de fuentes de energía renovables. En 2019, el agua, el viento y el sol produjeron suficiente energía para alimentarlo. 60 millones de familias estadounidenses promedio.

Proceda de donde venga, la energía accesible abunda en la Tierra. Pero en otros planetas y en el vacío del espacio, la energía es un recurso mucho más escaso. En Marte, donde varias empresas espaciales y organizaciones sin fines de lucro planean establecer eventualmente una colonia humana, la energía puede ser inconsistente y poco confiable.

Con tormentas de polvo impredecibles durante el día y temperaturas tan bajas como -157 ºF por la noche, la superficie de Marte puede ser particularmente inhóspita para los humanos o los robots.

Tomemos como ejemplo la energía solar: con tormentas de polvo severas e impredecibles durante el día y temperaturas tan bajas como -157ºF por la noche, la NASA ha tenido problemas para mantener los robots robóticos constantemente alimentados por el sol. En febrero de 2019, el rover Opportunity de la NASA fue declarado muerto. Ocho meses de silencio tras una enorme tormenta de polvo que envolvió al planeta rojo. Como muchos otros vehículos exploradores de Marte, el Opportunity fue diseñado con paneles solares para su funcionamiento diario y recarga de baterías. Por la noche, Opportunity intentaría conservar energía mientras ocho calentadores de radioisótopos (gránulos de plutonio-238 que se desintegran espontáneamente y generan calor) evitarían que sus baterías se congelaran. Pero estos calentadores no fueron suficientes para mantener al Opportunity con energía después de que quedó enterrado por la tormenta de polvo y atrapado en una oscuridad perpetua.

En los últimos años, los nuevos vehículos exploradores de Marte, Curiosity y Perseverance, han sido diseñados para funcionar con generadores termoeléctricos radioisotópicos multimisión (MMRTG). La energía de los MMRTG comienza con el calor creado por la misma desintegración del radioisótopo que mantuvo calientes las baterías del Opportunity. Este calor se convierte en electricidad mediante termopares de estado sólido, un par conectado Placas que forman un circuito eléctrico cuando sus temperaturas son diferentes. Una placa está en contacto con el núcleo de plutonio-238, mientras que la otra se mantiene fría.

Los MMRTG se han utilizado para una variedad de misiones espaciales tripuladas: desde misiones a la Luna y Marte hasta misiones interestelares como las sondas Voyager. El plutonio-238 es una opción favorable para estas sondas, ya que se necesitan 83 años para que la mitad de los átomos de la muestra se desintegren y pierdan su radiactividad. Pero el plutonio-238 es caro y difícil de obtener y, a medida que se desintegra, su producción de energía disminuye. Una forma mucho más sostenible de producción de energía sería un reactor de fisión nuclear que funcione con uranio-235, que es más abundante. La fisión nuclear produce energía como subproducto de la división del uranio en átomos más pequeños mediante una reacción en cadena que se perpetúa a sí misma. Si no se controla, esta reacción puede ser catastrófica, pero los reactores nucleares cuidadosamente diseñados pueden aprovechar esta energía térmica y transformarla en electricidad utilizable.

Las sondas Voyager funcionan con plutonio-238 en lenta descomposición.

El primer intento de la NASA de diseñar un reactor de fisión nuclear con capacidad espacial surgió del programa Sistemas de Energía Auxiliar Nuclear (SNAP) en la década de 1960. SNAP10A fue el primer reactor de este tipo que se puso en órbita, pero fue cerrado después de 43 días debido a una falla en su sistema eléctrico. La NASA estima que permanecerá en órbita otros 3.000 años. Desde entonces, la NASA no ha lanzado nuevos reactores de fisión nuclear, aunque muchos han alcanzado las etapas de desarrollo y prueba.

El principal fallo de SNAP10A, y de muchos de sus sucesores, fue la complejidad técnica. Pero en los últimos años, una colaboración entre la NASA y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) ha dado como resultado el reactor Kilowatt que utiliza tecnología Stirling. (KRUSTY), también conocido como el reactor Kilopower. A diferencia de los anteriores reactores de fisión nuclear espaciales, el reactor Kilopower se diseñó teniendo como objetivo la simplicidad y la eficiencia. Con la forma de un paraguas de superficie plana que se retrae para su transporte, el reactor Kilopower contiene hasta diez kilovatios de energía (unos ocho familias estadounidenses promedio) en una estructura compacta. La NASA estima que cuatro de estos reactores proporcionarían suficiente energía para una estación humana y podrían enviarse a Marte y apagarse robóticamente antes de la llegada humana.

el Un reactor Kilopower tiene dos componentes principales. El primero es el núcleo de uranio-235 donde tiene lugar la reacción de fisión nuclear. El núcleo contiene una varilla de control que evita que se produzca la fisión hasta que se extrae. El núcleo también está rodeado por un reflector de neutrones que mantiene la reacción de fisión a un ritmo constante. La energía térmica creada por la reacción de fisión se transporta desde el núcleo del reactor a través de tuberías llenas de sodio metálico líquido hasta que llega al segundo componente principal del reactor, los motores Stirling.

Los motores Stirling, al igual que los termopares, funcionan en función de diferencias de temperatura. Una cantidad determinada de gas se sella entre dos placas metálicas, junto con un pistón. Cuando una de estas placas se calienta, el gas que la rodea se expande y empuja el pistón hacia la placa más fría. La placa fría hace que el gas circundante se contraiga, lo que mueve el pistón hacia la placa más caliente. Este ciclo continúa, generando energía cinética utilizable que se traduce en energía eléctrica para su uso en una variedad de tareas.

La kilopotencia podría potencialmente impulsar una futura colonia en Marte.

En 2018, la NASA anunció que el reactor Kilopower había pasado una serie de pruebas críticas de seguridad y confiabilidad, lo que indica que pronto podría estar listo para una prueba de vuelo. «Kilopower nos da la capacidad de realizar misiones de mucha mayor potencia y explorar los cráteres en sombra de la Luna», dijo Marc Gibson en un comunicado de prensa de la NASA. «Cuando empecemos a enviar astronautas para estancias largas en la Luna y otros planetas, se necesitará una nueva clase de energía que nunca antes habíamos necesitado». Actualmente, la NASA planea volver a llevar humanos a la Luna para 2024, estableciendo una colonia lunar que proporcionaría datos y experiencia valiosos para impulsar una colonia en Marte ya en 2030.

Si te gustó la publicación de este mes, ¡mira la etiqueta de poder espacial de nuestra serie anterior sobre el poder de los viajes interestelares! Por ahora, consulte la publicación del blog del mes pasado sobre lectura y comprensión de artículos científicos. Comente o envíenos un correo electrónico a contact@anyonecanscience.com para hacernos saber lo que piensa de la publicación de esta semana. ¡Y suscríbase a continuación para recibir correos electrónicos científicos semanales!