Un motor de cohete de propulsión térmica nuclear, que usa lo que se denomina borboteo de combustible líquido centrífugo, se suma a las opciones para viajar a más velocidad por el espacio profundo.
Bajo un contrato de investigación para la Oficina del Proyecto de Propulsión Nuclear Espacial en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) de la NASA, la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH) está liderando una colaboración de universidades estadounidenses para investigar el concepto NTP (Nuclear Thermal Propulsion).
La NASA ha realizado avances sustanciales hacia un diseño NTP de combustible sólido. El concepto de borboteo a estudio es uno de los tres diseños propuestos basados en hidrógeno para un cohete NTP de combustible líquido de próxima generación.
El concepto NTP centrífugo de borboteo calienta el gas propulsor de hidrógeno a temperaturas muy altas, pero no hay combustión. El hidrógeno borbotea literalmente a través de un núcleo de uranio líquido giratorio en el motor a través de una pared porosa del cilindro, lo que hace que el gas se expanda rápidamente. A medida que sale de la boquilla, el hidrógeno en expansión proporciona empuje a la nave espacial.
Las ventajas del diseño incluyen un rendimiento significativamente mayor que los motores de cohetes de combustible líquido convencionales que queman hidrógeno y oxígeno, dice en un comunicado el Dr. Dale Thomas, investigador principal del proyecto y eminente académico en ingeniería de sistemas en la UAH.
«En la combustión de un motor de combustible líquido convencional, las moléculas propulsoras resultantes, H2O en el caso del hidrógeno y el oxígeno, son mucho más pesadas debido a esos átomos de oxígeno relativamente pesados, y no saldrán de la boquilla tan rápido, proporcionando más empuje pero menos impulso», dice el Dr. Thomas.
El empuje es la fuerza suministrada por el motor, por ejemplo, para levantar una nave espacial lejos de la gravedad de la Tierra. El impulso es el cambio en la cantidad de movimiento por unidad de combustible, y eso importa cuando se trata de llevar una nave espacial a donde va en el espacio.
«Piense en su automóvil», dice el doctor Thomas. «Piense en el empuje como torque y el impulso como millas por galón (mpg). Ambos importan, al igual que tanto el torque como el mpg en su automóvil».
«Si calentamos más el propulsor, tendrá más energía y saldrá más rápido de la boquilla, lo que proporciona más impulso», dice el Dr. Thomas. «Dado que este es un motor de mayor rendimiento, tiene el potencial de impulsar naves espaciales en trayectorias distintas a las trayectorias de energía mínima, brindando opciones para trayectorias de mayor energía que acortarán el tiempo de viaje hacia y desde Marte y otros destinos en todo el sistema solar».
Conceptualmente intrigante, el motor de borboteo presenta una serie de desafíos técnicos, uno de los cuales es desarrollar un material para la pared porosa del cilindro que pueda resistir el contacto directo con el combustible de uranio fundido.
«Estamos en las primeras etapas de esto», dice el Dr. Thomas. «Este concepto de borboteo ha existido desde los años 60», dice. «La física se entiende bien, pero los desafíos de ingeniería han impedido sacar este concepto de la mesa de dibujo en el pasado. Estamos tratando de ver si las tecnologías actuales nos permitirán desarrollar un prototipo de motor NTP de combustible líquido viable».
El trabajo de la UAH se centra en tres áreas, dice. «La primera parte es el modelado y análisis termodinámico de transferencia de calor de uranio líquido e hidrógeno gaseoso. En segundo lugar, haremos modelos y análisis de geometría y trayectoria de burbujas de hidrógeno gaseoso en un medio de uranio líquido, y tercero, realizaremos experimentos para confirmar las predicciones analíticas de los modelos dinámicos y termodinámicos».
