Proveer de energía solar a las naves espaciales puede no parecer un desafío, en vistas de lo intensa que puede sentirse la luz del sol en la Tierra. Las naves espaciales cercanas a la Tierra utilizan grandes paneles solares que convierten la luz del sol en electricidad, necesaria para la operación de sistemas de comunicación e instrumentos científicos.
Pero cuanto más lejos llegues en el espacio, más débil será la luz del sol. Y entonces los paneles solares ya no son tan útiles. Incluso dentro del sistema solar, las naves o exploradores que van a la luna o a Marte necesitan fuentes alternativas de energía.
Soy astrofísico y profesor de física y enseño a estudiantes superiores de ingeniería aeroespacial en un curso sobre el ambiente en el espacio. Una de las lecciones más importantes que destaco ante mis estudiantes es que el espacio no perdona. En este entorno extremo donde las naves espaciales deben soportar intensas llamaradas solares, radiación, y cambios de temperatura de decenas de grados bajo cero hasta cientos de grados sobre cero, los ingenieros desarrollan soluciones innovadoras para proveer de energía a las misiones espaciales más remotas y aisladas.
¿Qué son las baterías nucleares?
¿Cómo se provee de energía a las misiones que llegan a lo más lejano de nuestro sistema solar, y más allá? La solución consiste en tecnología que se desarrolló en la década de 1960, basándose en principios científicos descubiertos hace dos siglos: generadores termoeléctricos de radioisótopos, o RTG, por sus siglas en inglés.
Los RTG son, básicamente, baterías de energía nuclear. Pero a diferencia de las pilas AAA que usas en tu control remoto de la TV, las RTG pueden brindar electricidad durante décadas estando a miles de millones de kilómetros de la Tierra.
La energía nuclear
Los generadores termoeléctricos de radioisótopos no dependen de reacciones químicas como la batería de tu teléfono celular. Más bien, dependen de la desintegración de elementos para producir calor y eventualmente, electricidad. Si bien es un concepto que suena parecido al de una planta de energía nuclear, los RTG funcionan con un principio diferente.
La mayoría de los RTG se construyen utilizando plutonio-238 como fuente de energía, que no puede usarse en las plantas de energía nuclear porque no es adecuado para aplicaciones de fisión. El plutonio-238 es un elemento inestable, de desintegración radiactiva.
Esa desintegración sucede cuando un núcleo atómico inestable emite espontáneamente y al azar partículas y energía para alcanzar una configuración más estable. El proceso suele causar cambios en el elemento porque el núcleo puede perder protones.
Al descomponerse el plutonio-238, emite partículas alfa que consisten de dos protones y dos neutrones. Cuando el plutonio-239 que comienza con 94 protones, libera una partícula alfa, pierde dos protones y se convierte en uranio-234, que tiene 92 protones.
Estas partículas alfa interactúan y transfieren energía al material que rodea al plutonio generando calor. La descomposición radiactiva del plutonio-238 libera energía suficiente como para que su propio calor produzca un color rojo, y este potente calor es el origen de la energía que provee electricidad a un RTG.
Energía a partir del calor
Los generadores termoeléctricos de radioisótopos pueden convertir el calor en electricidad mediante el efecto Seebeck, principio que descubrió el científico alemán Thomas Seebeck en 1821. Como beneficio adicional, el calor de algunos tipos de RTG puede ayudar a mantener a temperatura cálida los elementos electrónicos y otros componentes en misiones al espacio profundo para que funcionen bien.
En su forma básica el efecto Seebeck describe que dos alambres de diferentes materiales conductores unidos en un rulo producen en ese rulo corriente al exponerlos a una diferencia de temperatura.
Los dispositivos que usan este principio se conocen como cuplas termoeléctricas o termocuplas. Permiten que los RTG produzcan electricidad a partir de la diferencia de temperaturas creada por el calor de la descomposición del plutonio-238 y el frío helado del espacio.
Diseño del generador termoeléctrico de radioisótopos
En un generador termoeléctrico de radioisótopos básico hay un contenedor de plutonio-239 almacenado como dióxido de plutonio, casi siempre en estado sólido cerámico para mayor seguridad en caso de un accidente. Ese material de plutonio está rodeado de una capa de aislación a la que se adosa una cantidad de termocuplas. Y todo eso va dentro de una cápsula protectora de aluminio.
El interior del RTG y un lado de las termocuplas se mantiene caliente, (538°C) en tanto que lado externo del RTG y el otro lado de las termocuplas se exponen al frío del espacio, que puede llegar a cientos de grados bajo cero.
La gran diferencia de temperaturas permite que el RTG convierta el calor de la descomposición radiactiva en electricidad, que brinda energía a las naves espaciales, haciendo funcionar los sistemas de comunicación, los instrumentos o los exploradores de Marte, incluyendo a cinco misiones actuales de la NASA.
No te entusiasmes pensando en comprar un RTG para tu casa. Con la tecnología actual, producen solo unos cuantos vatios de energía, suficientes para una laptop común pero que no alcanzan para jugar videojuegos con GPU potente.
Para las misiones al espacio profundo, sin embargo, esos pocos cientos de vatios son más que suficientes.
El verdadero beneficio de los RTG está en su capacidad para proveer energía consistente y predecible. La descomposición radiactiva del plutonio es constante, ca cada segundo de cada día, durante décadas. A lo largo de unos 90 años solo se habrá descompuesto la mitad del plutonio de un RTG. El RTG no requiere de partes móviles para generar energía, lo que conviene porque hay menos probabilidades de que se rompa o deje de funcionar.
Además, tienen una excelente historia de seguridad y están diseñados para sobrevivir a su uso normal, y son seguros incluso en caso de un accidente.
Los RTG en acción
Los RTG han sido la clave del éxito de muchas misiones de la NASA en el sistema solar y también, en el espacio profundo. Los exploradores de Marte Curiosity y Perseverance y la nueva nave espacial New Horizons que visitó Plutón en 2015 utilizaron RTG. New Horizons está viajando fuera del sistema solar, donde los RTG le brindarán energía donde los paneles solares ya no puedan hacerlo.
Pero no hay misiones que capten el poder de los RTG como lo hacen las misiones Voyager. La NASA lanzó las naves espaciales gemelas Voyager 1 y Voyager 2 en 1977 para que visitaran el sistema solar exterior y luego se alejaran de éste.
Cada nave espacial se equipó con tres RTG, lo que brindó un total de 470 watts al momento del lanzamiento. Han pasado casi 50 años desde que se lanzaron las sondas Voyager, y ambas siguen en misiones científicas activas, recogiendo datos y enviándolos a la Tierra.
Su distancia con respecto a la Tierra es de unos casi 25 mil millones de kilómetros para la Voyager 1, y 21 mil millones de kilómetros para la Voyager 2, lo que las convierte en los más distantes objetos hechos por manos humanas. Incluso en distancias tan extremas los RTG siguen proveyéndoles energía consistente.
Estas naves espaciales son testimonio del ingenio de los ingenieros que diseñaron los RTG a comienzos de la década de 1960.
Benjamin Roulston, Profesor adjunto de Física, Universidad Clarkson. Este artículo se ha republicado a partir de The Conversation, bajo licencia Creative Commons. El artículo original está aquí.
