Cómo se genera energía eléctrica en el espacio por largos períodos

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RMMadrid, SP, 8 de mayo de 2013.- Todo ingenio espacial creado por el hombre, generalmente requiere energía eléctrica para alimentar los distintos equipos a bordo; instrumentos científicos, procesadores de datos, sistema de comunicaciones, etc…

Si su vida útil va a ser muy corta, simplemente unas baterías solucionan el problema, si la estancia en el espacio va a ser prolongada y hay suficiente radiación solar en su entorno, unos paneles fotovoltaicos podrían ser la solución y de hecho, la manera más común que estamos acostumbrados a ver para captar energía en el espacio son los paneles solares; pero ¿qué ocurre cuando la radiación solar es insuficiente o el tipo de proyecto no hacen recomendable el empleo de grandes paneles fotovoltaicos por su vulnerabilidad (aplicaciones militares por ejemplo) o no son aconsejables para determinadas naves espaciales como el Gemini , Apollo, Transbordador Espacial (Shuttle), etc.?

Generalmente las naves espaciales tripuladas, tenían necesidad de energía eléctrica en grandes cantidades y agua potable para la tripulación.

Existe un sistema que soluciona estos dos requerimientos al mismo tiempo, las llamadas “pilas de combustible” (fuel cells). Estas pilas se alimentan con oxigeno e hidrogeno y nos devuelven electricidad más agua, luego para estas naves !problema resuelto!

Dentro de no muchos años, es más que probable que tanto los pequeños equipos electrónicos portátiles, como vehículos eléctricos de automoción (coches o algunas aeronaves), estén alimentados por este tipo de pilas de combustible.

Volviendo al título del artículo, como norma general, las naves espaciales que desarrollan sus actividades dentro de una distancia máxima del planeta Marte, suelen usar paneles solares para satisfacer sus necesidades energéticas, pero para distancias superiores, al ser más débil la radiación solar, el uso de este sistema no resultaría práctico, por lo que generalmente se opta por los “Generadores Térmicos Radioactivos” o RTG (Radioactive or Radioisotope Thermal Generators).

Los RTG se desarrollaron en los EE.UU. el siglo pasado en la década de los años 50 y el primer satélite que llevaba uno a bordo fue el Transit 3 4A , satélite de ayuda a la navegación de la fuerza naval de los EE.UU. (Navy). Se trataba de un SNAP-3 (Systems for Nuclear Auxiliary Power-3).

Posiblemente mucha gente no sepa que en Abril del año 1.964, un satélite alimentado con un SNAP-9A no logró ponerse en órbita, se desintegró y dispersó 2.1 libras de Plutonio 238 por casi todo el mundo, lo que llevó a dos cosas importantes; mejorar la protección de este tipo de generadores ante cualquier situación extrema de accidente y mejorar la tecnología de las células fotovoltaicas. En 1.970 cuando el Apollo 13 tuvo un serio percance en la trayectoria desde la Tierra a la Luna por una explosión en el Módulo de Servicio (MS), teniendo que llegar hasta la órbita Lunar y regresar de vuelta a casa con la energía suministrada por el Módulo Lunar (ML), en la reentrada el ML (que transportaba un RTG para el laboratorio que pensaba dejar en la Luna) se desintegro, pero esta vez no hubo derrame alguno de material radioactivo porque se aprendió la lección y se construyó para que resistiera accidentes como ése. Actualmente el RTG se encuentra en el fondo del Océano Pacifico Sur cerca de Tonga Trench.

Algo parecido ocurrió en 1.968 en el lanzamiento de un Nimbus-B-1 desde Vandenberg (AFB), California. La misión fue abortada poco después del despegue y sus dos RTG cayeron al mar, siendo recuperados intactos a 300 pies de profundidad sin que se detectara ninguna fuga y el Plutonio rescatado se volvió a reutilizar en una misión posterior.

Los RTG se han empleado en multitud de naves y equipos espaciales no tripulados como fueron los laboratorios lunares (5) depositados en la superficie de la Luna por los astronautas del proyecto Apollo denominados ALSEP (Apollo Lunar Surface Equipment Package), los laboratorios que se posaron sobre la superficie de Marte Viking (2) para llevar a cabo el primer estudio biológico, las naves Pioneer y Voyager de los años 70 (algunas aún activas navegando en los límites de nuestro Sistema Solar) y en otras muchas misiones.

¿Cómo funciona un RTG?

Termopar principio

En realidad el fundamento es sencillo y su uso muy fiable al no tener partes móviles. Todos tiene un material radioactivo ( Plutonio-238, Curio-244, Estroncio-90 etc.) como fuente de calor por la desintegración radioactiva natural y unos termopares que convierten ese calor en electricidad (Seebeck effect). De la misma forma que las células fotovoltaicas producen electricidad con la luz visible, los termopares producen electricidad con infrarrojos (calor). Este fenómeno ya fue descubierto en 1.821 por el científico Alemán Thomas Jo- hann Seebeck.

Los termopares no son bichos raros, no son más que un transductor formado por la unión de dos metales distintos (A y B) que producen electricidad cuando se aplica calor en un extremo. Es más que probable que tengamos alguno en nuestra casa. Se utilizan mucho como elemento de seguridad en calentadores, estufas y cocinas de gas. Todos estos aparatos que tienen siempre encendido un piloto de llama azulada (o la llama del fuego de la cocina) los utilizan para estar seguros que mientras esté encendido el piloto (o el fuego del quemador de la cocina) , el gas que salga se va ha quemar de una forma controlada en la cámara prevista para tal fin y si se apaga el piloto (que es cuando podría haber peligro de explosión al salir el gas sin quemar por la habitación y hacer explosión con cualquier chispa de un interruptor, termostato, cigarrillo etc.), se corta el paso del gas mediante una electroválvula al no recibir electricidad del termopar.

Los termopares también se utilizan para medir temperaturas, ya que la electricidad que generan es función de la diferencia de temperaturas. Y volviendo al caso que nos ocupa, para producir electricidad en algunos ingenios espaciales a partir de una fuente de calor radioactiva.

Como ejemplo voy a tratar de describir el RTG del tipo empleado en las misiones Galileo, Cassini, Ulysses y New Horizons entre otras.

GPHS-RTG son las iniciales en inglés de General Purpose Heat Source- Radioisotope Thermoelectric Generator.

RTG-GPHS

En el centro (la parte roja del dibujo), está ubicada la fuente de calor o GPHS en forma de pequeños cilindros cerámicos (18) de dióxido de Plutonio 238 encapsulados en un protector de iridio muy resistente y a su vez cubierto por otra protección de fibra de carbono antes de introducirlos en un contenedor de grafito. Todo el conjunto se aloja dentro de un recipiente de aluminio. En las últimas generaciones de RTG se ha incrementado la seguridad aumentando un 20 % el grosor del contenedor de grafito para ayudar a evitar el vertido el Plutonio en las situaciones más desfavorables; caso de accidentes tales como las excesivas temperaturas generadas durante una reentrada, explosión del combustible de los cohetes durante el lanzamiento o un fuerte impacto contra el suelo.

Adosados al GPHS están ubicados los termopares (Si-Ge), que son los que realmente generan la electricidad a costa del calor producido por el GPHS. Como la generación de electricidad es función de la diferencia de temperaturas en los extremos del termopar, un lado de éste está en contacto con el GPHS y el otro con el espacio exterior a través del sistema de refrigeración. En otras palabras, el calor generado por el GPHS se lanza al exterior a través de los termopares y en ese proceso se genera la electricidad.

El rendimiento de los termopares es relativamente bajo, no llega al 7%. El modelo descrito anteriormente tiene una capacidad de generación de calor del orden de 4.400 Watts y la electricidad producida por los termopares (consistente en 572 unidades conectadas en dos líneas serie-paralelo) es de unos 300 Watts.

RPT

Los RTG de las naves Voyager 1 & 2 que fueron lanzadas en la década de los años 70 aun siguen funcionando. La estación de seguimiento de Madrid (MDSCC) y la de Goldstone (GDSCC) en los EE.UU. siguen el Voyager 1 y la de Canberra (CDSCC) de Australia al Voyager 2, simplemente por las trayectorias que siguen estas naves espaciales. La disminución de energía producida por el plutonio es de aproximadamente 0.79% por año. A estas pérdidas hay que añadir también la degradación del rendimiento de los termopares.

Dependiendo de las necesidades energéticas de la misión , pueden instalarse una o varias unidades. Por ejemplo el Voyager 1 y 2 llevan 3 RTG de 157 Watts cada uno (470 Watts total en el lanzamiento).

Voyager

Estas dos naves están actualmente saliendo de nuestro sistema solar. Se encuentran a 18,486,000,000 Km. de distancia del Sol una y a 15,122,000,000 Km. la otra. Para hacernos una idea de lo que significan estas distancias, cuando se envía una instrucción al Voyager 1 desde la estación de seguimiento MDSCC (Madrid Deep Space Communication Complex), transcurren más de 34 horas hasta que se recibe la confirmación desde la nave. Este tiempo se conoce cono RTLT (Round Trip Light Time) y es tan dilatado no por retrasos extraños sino que éste es el tiempo que tarda la instrucción en llegar a la nave y la respuesta en regresar a la velocidad de la luz. La señal recibida es tan débil que en ocasiones una fuerte lluvia en la zona de la estación transmisora/receptora es suficiente para que se interrumpa la comunicación.

Actualmente se está trabajando para mejorar la eficiencia de los RTG y lograr mejor relación energía/peso. Las AMTEC (Alkali Metal Thermal to Electric Cells), todavía en desarrollo, parecen tener grandes posibilidades en un futuro al ser su rendimiento considerablemente superior a las actuales.

Otro ejemplo puede ser el SRG-110 (Stirling Radioisotope Generator-110), candidato para futuras misiones de exploración del espacio profundo, tanto para naves como para rovers. Tiene un rendimiento superior al 20% y consistente en un generador eléctrico lineal movido por un motor Stirling accionado por el calor de un radioisótopo.

Referente a la seguridad, en los EE.UU. el uso de los RTG en el espacio debe de ser aprobado por el mismisimo Presidente (Presidential Directive / NSC-25) previo análisis e informes de varios expertos.

Si alguna vez tienen ocasión e visitar “El Centro de Entrenamiento y Visitantesque tiene la NASA en el término municipal de Robledo de Chavela (MADRID), podrán observar en las numerosas maquetas de naves espaciales expuestas, que unas tienen paneles solares muy visibles y otras células de combustible (ocultas, como el Modulo de Servicio de los Apollo o el Shuttle) o RTG generalmente también visibles y lucirse ante sus acompañantes explicando el por qué y para qué de tales aparatos. No digo nada si después lleva a sus amigos o familia a la sala donde está expuesto uno de los vehículos a tamaño real de la misión MER (Mars Exploration Rovers, Spirit & Opportunity) alimentado por paneles solares y comenta que el actual rover Curiosity (en suelo Marciano desde Agosto del 2.012), tres veces más pesado que los anteriores, se alimenta mediante un MMRTG (Multi Mission Radioisotope Thermal Generator) situado en la parte trasera, con capacidad de 125 Watts de electricidad a 28 VDC y que además tiene dos baterías recargables de Iones de Litio de 42 A/H para poder hacer frente a los picos de fuerte demanda eléctrica. Aunque la duración de esta misión inicialmente era de un año marciano (casi dos terrestres) normalmente se extienden indefinidamente mientras puedan seguir mandando datos interesantes y el RTG es un generador de electricidad ideal porque podrá suministrar energía eléctrica sin problemas. El RTG del Curiosity comenzó generando 125 Watts de electricidad al comienzo del viaje y transcurridos 14 años se estima que generará 100 Watts. Es más que probable que se acabe la misión por causas ajenas al RTG y éste siga generando electricidad suficiente por muchos años más.

No es muy conocido que del MMRTG no solamente se aprovecha la electricidad que produce sino también el calor para mantener algunos instrumentos, computadores, equipo de comunicaciones, etc. a la temperatura adecuada en el gélido ambiente en que trabajan.

J.M.M.C.

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