Propulsión nuclear por pulsos: Proyecto Orión.

Después de mucho tiempo retomo el tema de los viajes interestelares y  sistemas de propulsión. Somos una especie exploradora y el espacio nos atrae. Incluso ya conocemos algunos potenciales destinos estelares. Hoy hablaremos sobre un proyecto poco conocido en la actualidad que de haber salido adelante hubiera puesto a nuestro alcance el sistema solar y probablemente las estrellas cercanas.

El proyecto Orión fue un estudio de viabilidad de propulsar una nave espacial con una serie de explosiones controladas, pero no se trataba de dinamita, TNT o algún otro tipo de explosivo, hablamos de detonaciones de armas nucleares detrás de la nave (propulsión nuclear por pulsos)

La idea de que un cohete podría ser propulsado mediante explosiones sucesivas fue propuesta primeramente por el experto en explosivos Nikolai Kibalchich en 1881, y en 1891 ideas similares fueron presentadas de forma independiente por el ingeniero alemán Hermann Ganswindt. Pero tendriamos que esperar a la llegada de la Segunda Guerra Mundial para que aparezca el artefacto explosivo definitivo: el arma atómica de fisión. 

Nikolai Kibalchich

La primera propuesta seria de utilizar armas nucleares como medio de propulsión de una nave espacial fue hecha en 1946 por Stanislaw Ulam. En 1944, este joven matemático de origen polaco trabajaba en el laboratorio de Los Álamos, Nuevo México, como parte del Proyecto Manhattan. Al igual que muchos otros científicos, la investigación de Ulam en Los Álamos se centraba en el desarrollo de la primera bomba atómica. El mismo calculó que la tremenda energía de una explosión nuclear se podía usar para propulsar algún tipo de nave espacial.

Stanislaw Ulam

Durante las siguiente pruebas nucleares él y otros científicos se habían dado cuenta que algunos elementos metálicos sobrevivían a la explosión más o menos intactos gracias al mecanismo de ablación. Si una nave estuviera equipada con una placa metálica plana que reflejase la energía de la explosión, quizás podría moverse a velocidades enormes usando explosiones atómicas. Había nacido el primer concepto de propulsión por pulso nuclear.

Pero este concepto tiene un problema, más de la mitad de la energía de la explosión nuclear se perdería en el espacio y solo una parte golpearía la placa impulsora (pulso nuclear externo). En aquellos años se pensaba que sería más eficiente contener la explosión nuclear dentro de una "cámara de combustión" nuclear y aprovechar así casi toda la energía (pulso nuclear interno). Sin embargo al detonar la bomba dentro de la cámara de combustión buena parte del impulso se anularía siendo al final mas eficiente el pulso nuclear externo.

Puso nuclear externo e interno.

Entonces a mediados de los años 50 se propuso una nave de tan solo doce toneladas con una placa de diez metros de diámetro que podría viajar por todo el Sistema Solar (hoy nos parece ciencia ficción así que imagínense como era entonces). La nave necesitaría una cantidad comprendida entre 30 y 100 artefactos nucleares de “baja” potencia para el viaje. El plasma formado por los restos vaporizados de la bomba sería interceptado por la placa, la cual transmitiría el empuje al vehículo mediante unos amortiguadores. La placa estaría formada por varios discos desechables que funcionarían como propelente. La parte más compleja era despegar desde la superficie terrestre usando explosiones nucleares, pero por aquel entonces se creía que era posible. ¿Se imaginan despegando a lomos de una bomba atómica?

Antes de continuar repasemos un poco algo de lo que ya habíamos hablado en el blog, ¿como se clasifican los sistemas de propulsión? Para ello se utilizan dos parámetros principales, el empuje y el impulso específico (Isp). El empuje es fácil de entender, no es más que la fuerza que desarrolla el motor y que acelera la nave. No hace falta ser físico nuclear para intuir que el empuje generado por una explosión nuclear sería tremendo permitiendo acelerar rápidamente (muy al contrario de los motores iónicos que tienen un empuje muy pequeño). El impulso específico (Isp) es un concepto un poco más complejo, pero básicamente es una medida de lo eficiente que es tu cohete. Cuanto mayor sea el Isp, mayor será la carga útil o la velocidad que puede alcanzar la nave. Los motores cohete de propulsión química más eficientes (como los que tenía el transbordador espacial) tienen un Isp de unos 430 segundos. Los motores que emplean propulsión nuclear térmica, como el que la NASA pretende usar para ir a Marte, podrían alcanzar un Isp de unos 1000 segundos. Orión prometía llegar a diez mil segundos, quizás hasta un millón.

Uno de los problemas de nuestra tecnología espacial actual es que no tenemos un sistema que cumpla con ambas condiciones. Por un lado tenemos motores muy eficiente pero con un muy bajo empuje (motores iónicos) y por otro están los motores con empujes muy altos pero poco eficientes (motores químicos convencionales) Orión tenia ambas cualidades y eran superiores por goleada.

El motor de pulso nuclear Orión combina una muy alta velocidad de viaje de 19 a 31 km/s (atípica en los viajes espaciales) y meganewtons de empuje. Pero Orión tenía un grave inconveniente, mucho mas grave que las dificultades tecnológicas y es que para ser un proyecto que utilizaba tecnologías desarrolladas por el ejercito, muchas de las cuales eran alto secreto, Orión no parecía tener ninguna aplicación militar interesante. Así que a partir de 1961, el secretario de defensa de la administración Kennedy, Robert Mcnamara, rechazó financiar el Proyecto Orión como cualquier cosa que no fuese un mero estudio de viabilidad. Sólo quedaba la NASA como única opción de financiación. La agencia espacial mostró un interés moderado en el proyecto. Orión podría revolucionar los viajes espaciales, sí, pero también suponía una amenaza al recién nacido Programa Apolo. 

Para 1965, el año que el proyecto fue oficialmente cancelado, el equipo de la Orión, había conseguido lo inimaginable. Aunque parezca increíble, demostraron que la nave de pulso nuclear era viable. La efectividad del diseño dependía del tamaño de las bombas de fisión empleadas, lo que a su vez definía el tamaño de la placa protectora. Se crearon dos versiones de estudio, una con una placa de diez metros de diámetro y otra de veinte metros. La primera podría servir para viajes a la Luna o a Marte, mientras que la segunda permitiría alcanzar Saturno antes de 1980.

Pruebas del proyecto Orión, se demostró la viabilidad de la propulsión por pulsos.

La placa propulsiva tendría que soportar temperaturas de entre 15000 y 30000 K (la superficie del Sol está a casi 6000 K), aunque sólo durante tres milésimas de segundo, lo que permitiría que se pudiese fabricar con aleaciones convencionales de acero o aluminio. Igualmente, el pulso de rayos X proveniente de la explosión sólo duraría unos nanosegundos. Gracias a un ingenioso sistema de varios amortiguadores en serie, se podría limitar la aceleración sufrida por la tripulación a menos de 1 o 2 g.

Posteriormente fue refinado el diseño y se estudiaron las capacidades teóricas de dichas naves, abajo podemos ver las capacidades comparadas entre dos versiones de la Orión y el cohete saturno V.

Naves	Orión interplanetaria	Orión interplanetaria avanzada	Saturno V
Masa de la nave	4000 T	10.000 T	3000T
Diámetro de la nave	40 m	56 m	10 m
Cantidad de bombas	800	800	-
Potencia de las bombas	0,14 kt	0,35 kt	-
Carga útil a la órbita terrestre	1.600 T	6.100T	120T
Carga útil a la superficie de la luna	1.200 T	5.700T	15T
Carga útil en un viaje de ida y vuelta a  Marte	800T	5.300T	-
Carga útil en un viaje de ida y vuelta a  Saturno	150T	1.300T	-

Y que aplicaciones podríamos darle a semejante nave espacial. Una nave con la performance de la Orión podría abrir el sistema solar a la humanidad, permitiendo viajes cortos y con una gran capacidad de carga útil, y si decidimos enviar naves no tripuladas los requisitos son menores para estos viajes.

Se podría llegar a marte en un mes, mandar expediciones tripuladas de más de 20 personas a las lunas de jupiter, la version avanzada podria poner a una expedición tripulada en orbita de saturno en poco más de dos años. No habría rincon del sistema solar que no estuviera al alcance de la Orión. Todo ello, no lo olvidemos, usando tecnología disponible a finales de los años 60.

Viajes a Marte

Viajes al sistema de Jupiter.

Exploración de saturno.

¿Y que del viaje interestelar? Aunque Orión era una nave de ensueño para viajar por el sistema solar, seguia siendo una nave lenta para alcanzar otras estrellas, aun así se estudio la viabilidad de realizar un viaje interestelar con la Orión. Una versión tradicional debería ser mucho más grande (20 kilometros) y permitiria alcanzar una velocidad de 1000 km/s (un 0,33% de la velocidad de la luz) lo que le permitiría alcanzar la estrella más cercana (Alpha Centauri) en poco más de 1300 años. Sigue siendo mucho pero si recordamos que con las naves actuales tardaríamos entre 80 o 90 mil años es un avance significativo.

Pero un diseño avanzado de la Orión, con placas protectoras recubiertas con material ablativo que disipen del calor de una forma mucho más eficiente podría alcanzar un fantástico 3,3% de la velocidad de la luz (alrededor de 10.000 km/s) con esta velocidad el viaje a la estrella más cercana duraría solo 133 años y sería necesaria una nave de "solo" 100 metros de diámetro. 

“Marte en 1965, Saturno en 1970”, decía Freeman Dyson (un investigador que había trabajado en el proyecto y que sería el principal defensor de Orión durante las siguientes décadas.) cuando se refería a las posibilidades del Proyecto Orión, un proyecto que podría haber revolucionado la historia y cuyo coste estimado era similar al del Programa Apolo.

Freeman Dyson

Muchos han refinado el diseño de Orión con el paso de los años, variando los materiales empleados y el tipo de bomba utilizado, Se ha sugerido utilizar bombas de fusión (más eficiente que las de fisión) y recientemente se ha propuesto el uso de bombas de fisión “enriquecidas” con antimateria para mejorar la eficiencia del diseño, aunque se trata de una propuesta que supera nuestras capacidades tecnológicas actuales. En los años 80, Carl Sagan declaró que Orión sería el mejor uso que se le podía dar a los miles de armas nucleares que existen sobre nuestro planeta.



Con el paso de los años el proyecto Orión fue olvidado, y en muchas de las obras, websites, blogs y demás medios que hablan sobre el viaje espacial apenas se habla del mismo. Pero no nos olvidemos que la propulsión nuclear por pulsos es la única forma de propulsión avanzada que nos permitiría recorrer todo el sistema solar utilizando tecnología ya existente. Algún día quizás.