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Perseverance, el rover de Marte, es la última generación de exploradores robot que ha concebido la NASA y está en la superficie del planeta rojo desde el 18 de febrero de 2021. Toda la energía que consume para moverse y realizar sus experimentos es generada a partir de una “batería nuclear”.

La importancia de los sistemas de energía nuclear quedó ilustrada por la misión Rosetta de la Agencia Espacial Europea, que aterrizó con éxito la sonda Philae en el cometa 67P / Churymov-Gerasimenko en 2014. Equipado con baterías y paneles solares, la posición en la que Philae se posó sobre la superficie del cometa, detrás de unos acantilados que le obstruían los rayos solares, le significó al módulo de aterrizaje perder la comunicación después de las primeras 64 horas, cuando se agotó la energía de la batería para siempre.

El sistema de energía del Perseverance proporciona una fuente constante de electricidad, carga las dos baterías principales del rover y mantiene calientes los instrumentos clave y los sistemas principales en el frío entorno del planeta Marte.

Esta energía permitirá al rover de 1.025 kg, recolectar muestras de roca y suelo, y almacenar esas muestras en contenedores para un posible regreso a la Tierra en una misión futura. También permitirá a los científicos demostrar tecnologías que podrían permitir futuras misiones humanas a Marte, incluido un método para producir oxígeno a partir de la atmósfera marciana e identificar otros recursos (como el agua debajo de la superficie).

Este inusual sistema de energía es crucial para la misión, se trata de un “Generador Termoeléctrico de Radioisótopos Multi-Misión” (MMRTG). Fue desarrollado por la NASA, pero su ensamble estuvo a cargo del Laboratorio Nacional de Idaho (INL), que depende del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Tras años de planificación, capacitación y trabajo práctico del equipo de sistemas de energía espacial de INL, el MMRTG es una realidad que está funcionando exitosamente. Es ideal para los desafíos que enfrentará el Perseverance, porque es duradero y confiable, tiene una vida operativa de 14 años, permite a los científicos maximizar las capacidades del rover y ofrece flexibilidad para operar día y noche mientras explora el gélido planeta.

La electricidad para el rover Mars 2020 de la NASA es proporcionada por un sistema de energía llamado Generador Termoeléctrico de Radioisótopos de Misiones Múltiples, o MMRTG. Esencialmente una batería nuclear, un MMRTG utiliza el calor de la desintegración radiactiva natural del plutonio-238 para generar aproximadamente 110 W de electricidad al comienzo de una misión. Fuente: NASA / JPL-Caltech

Una batería nuclear de larga duración

Afuera de nuestro planeta no hay gasolineras ni enchufes eléctricos. Por eso, algunas naves espaciales que exploran el sistema solar utilizan lo que se conoce como “energía de radisótopos”. Un MMRTG le permite al rover funcionar sin las limitaciones de los paneles solares, como las variaciones de la luz solar y la acumulación del fino polvo marciano que reduce el rendimiento de los paneles solares.

La base de funcionamiento de los MMRTG se encuentra en el sistema de energía de radioisótopos (RPS) que convierte el calor de la descomposición natural de los materiales radioisotópicos en electricidad. Los RPS son ideales para misiones espaciales porque son compactos, duraderos y confiables, brindan energía continua durante largos períodos de tiempo.

El MMRTG del Perseverance pertenece a un subconjunto de tecnología RPS conocido como generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG). Consta de dos elementos principales: una fuente de calor que contiene plutonio-238 (Pu-238) y un sistema de termopares. El trabajo de un termopar es producir electricidad, sin partes móviles que podrían fallar durante una misión espacial larga.

Vista separada etiquetada que muestra por fuera y por dentro los componentes principales del MMRTG, o Generador Termoeléctrico de Radioisótopos Multi-Misión. Fuente: NASA

El Plutonio del MMRTG

El principio de funcionamiento de estas baterías nucleares se encuentra en la masa del plutonio, su núcleo atómico es mucho más grande que el de cualquier otro elemento natural y eso lo hace inestable. El plutonio es un elemento transuránico radiactivo con símbolo químico Pu y número atómico 94, si se rompe produce radiación y también calor, lo que puede ser convertido en electricidad.

Pero el plutonio que se usa en la exploración espacial no es el mismo que se usa en las bombas atómicas, el plutonio-239 que contiene 145 neutrones. El plutonio-238, que posee un neutrón menos en su núcleo y se deteriora más rápidamente, tiene una vida media de 87,7 años, una fracción de los 24.000 años del plutonio-239, o los 80 millones del plutonio-244. La vida media de un isotopo se entiende como la cantidad de tiempo que le toma perder la mitad de su radioactividad.

En relación con otros radioisótopos que se han estudiado y utilizado en el pasado para sistemas de energía de radioisótopos, el Pu-238 ha demostrado tener las mejores habilidades para la conversión de calor cuando de misiones espaciales se trata. Es por esto que se ha utilizado de forma segura desde la década de 1960. La primera aplicación que tuvo este isotopo fue como núcleo de energía en marcapasos cardiacos, algunos de ellos aún se utilizan. A diferencia del Pu-239, el Pu-238 solo se emplea en RTG y RHU de sondas espaciales y no es adecuado para su uso en armas nucleares.

La pastilla de 238PuO2 brilla emitiendo luz roja bajo el efecto de su propia desintegración radiactiva, dentro de una capa protectora de grafito, durante el ensamblaje del MMRTG (Generador Termoeléctrico de Radioisótopos Multi-Misión) que alimenta al rover Mars-Curiosity, el mismo que lleva Mars-Perseverance. Fuente: Laboratorio Nacional de Idaho.

Los Termopares del MMRTG

Los termopares son comunes en elementos de uso cotidiano que requieren controlar o regular su temperatura, como acondicionadores de aire, refrigeradores y termómetros médicos. Su principio de funcionamiento involucra dos placas, cada una hecha de un metal diferente que conduce la electricidad. Unir estas dos placas para formar un circuito eléctrico cerrado mientras se mantienen las dos uniones a diferentes temperaturas produce una corriente eléctrica. 

En un RTG, la desintegración natural de Pu-238 produce calor que luego se transfiere a una de estas uniones, mientras que la otra unión mantiene su temperatura expuesta al entorno espacial o una fría atmósfera planetaria. De esta forma, el termopar impulsa energía eléctrica aprovechando el diferencial de temperatura entre el lado calentado por el isotopo y el lado que se mantiene frío. Este flujo de corriente eléctrica es un fenómeno que se conoce como efecto termoeléctrico o efecto Seebeck, descubierto por Thomas Johann Seebeck

Los termopares se suelen utilizar como sensores de temperatura, aunque otra de sus funciones es la de convertir la energía calorífica en energía eléctrica. Su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck que describe la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes con diferentes temperaturas. Al conectarlos en serie, esta diferencia de temperatura causa el movimiento de sus electrones, provocando una corriente eléctrica.

Durante 40 años, la NASA ha utilizado generadores termoeléctricos de radioisótopos para generar energía y calor en 27 misiones espaciales. La sonda Cassini llevaba tres RTG que proporcionaban 870 vatios de potencia, a partir de 33 kg de óxido de plutonio-238 mientras exploraba Saturno. INL ha probado y entregado el generador que alimenta el Rover Mars Curiosity, lanzado en 2011 y aun activo desde entonces. En febrero de 2021, el Curiosity había viajado unos 24 km desde que aterrizó en 2012. Pero el primero generador que ensambló el laboratorio Idaho fue el que equipa la sonda New Horizons lanzada en 2006 y que ahora a más 7 mil millones de kilómetros sigue viajando a unos 50.000 kmph, saludable y transmitiendo sus señales a nuestro planeta.

El origen del Plutonio

Aunque se pueden encontrar pocas trazas en la naturaleza, todos los isótopos de plutonio que se usan son de origen artificial. El uranio por mucho tiempo fue visto como el final de la tabla periódica, más allá de él no se conocían elementos. Eso comenzó a cambiar en 1932 con el ciclotrón, un invento del científico estadounidense Ernest Lawrence, un aparato de aceleración de partículas alrededor de una cámara circular de electromagnetos. Con este artefacto se podía hacer impactar átomos y partículas entre sí, y con esto se lograba nada menos que alquimia, transformando un elemento en otro. Lo que define a un elemento químico de otros es el número de protones de su núcleo. Agregar otro protón significa que repentinamente tienes un nuevo elemento químico.

Un equipo encabezado por el radioquímico Glenn Seaborg usó el ciclotrón para bombardear una muestra de uranio con deuterio, que es un átomo de hidrógeno con un neutrón en su núcleo. El resultado era otro elemento que ya había sido identificado ese mismo año por Edwin McMillan, colega de Seabrog: el neptunio, tal como lo llamamos ahora. Pero este se desintegra en dos días dando vida a otro elemento: el plutonio.

Glenn Seaborg en 1946, cinco años antes de que ganara el Nobel. Credito: SCIENCE PHOTO LIBRARY

Así es como luego del uranio, el elemento 92, en honor al planeta Urano, Neptuno, el siguiente planeta, inspiró el nombre del neptunio, el elemento 93 y lógicamente Plutón al elemento 94, plutonio.

El Pu-238 se obtuvo por primera vez mediante el bombardeo de uranio-238 con deuterones, que es como se designa al núcleo del átomo de deuterio, un isótopo estable del elemento hidrógeno. La consecuencia de esto fue el neptunio-238 que decae en Pu-238 en 2,1 días.

Pero sintetizar este isótopo por este método no era muy efectivo. Tampoco lo es su extracción de los residuos nucleares porque se encuentra en pequeña cantidad en ellos y es muy complicada su separación de otros isótopos de plutonio. Así que posteriormente se usó un sistema de irradiación por neutrones que emplea un reactor nuclear.

El plutonio 238 es un isotopo escaso

El plutonio-238 se ha producido en cantidad solo con el fin de alimentar RPS. En el pasado, Estados Unidos tenía un suministro adecuado de Pu-238, que se producía en instalaciones creadas para apoyar el programa de armas nucleares de Estados Unidos. El problema es que no se ha producido Pu-238 desde que el Departamento de Energía (DOE) cerró la planta de Savannah River Plant de Carolina a fines de la década de 1980.

Como consecuencia, las reservas estadounidenses de este isótopo han ido disminuyendo desde entonces, tanto por su uso en misiones espaciales como por su propia desintegración. En parte se ha tenido que depender de algunas pocas cantidades que provenían de instalaciones rusas en Mayak, se han comprado 16,5 kg, pero estas fábricas también fueron cerradas hace muchos años. No habiendo instalaciones operativas en ningún lugar del mundo, el Congreso estadounidense ordenó al DOE reanudar la producción de Pu-238. Por una parte, restablecer la producción nacional del isotopo 238 del Plutonio tiene un costo que excede los $ 150 millones de dólares, pero por la otra parte, la NASA ha venido frenando el ritmo de las misiones impulsadas por RPS y hasta suprimiendo algunas hasta que el stock del isótopo se restituya.

Para fabricar Pu-238, el DOE reutiliza parte de su reserva de Neptunio-237, un proceso complicado que involucra a expertos y equipos en instalaciones del DOE, en el Laboratorio Nacional de Idaho y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). Este último automatizó recientemente parte del proceso de producción, lo que permitió al laboratorio producir hasta 400 gramos de Pu-238 cada año, acercándose más al objetivo de la NASA de 1,5 kg por año para 2025. Téngase en cuenta que un MMRTG como el del rover Perseverance se construye con 4,8 kg de isotopo.

Lo que diferencia a Perseverance de misiones anteriores es ser el primer rover en utilizar plutonio creado por el Laboratorio Nacional Oak Ridge. Este laboratorio está trabajando con INL y el laboratorio nacional de Los Alamos para ayudar a la NASA a reforzar sus reservas de Pu-238. 

El MMRTG es una fuente de energía muy segura

En el rover Perseverance, el combustible dentro de cada módulo de fuente de calor de uso general (GPHS) está rodeado por varias capas de materiales protectores, incluido el tipo de material resistente utilizado en los conos de los misiles diseñados para sobrevivir en condiciones extremas durante el reingreso a la atmósfera terrestre. Además, el combustible radioisotópico se fabrica en forma de cerámica (similar al material de una taza de café) que en caso de rotura lo hace en pedazos grandes, lo que reduce la posibilidad de que el material peligroso se transmita por el aire o por si acaso se ingiera.

Sin embargo, estas medidas de seguridad que reúne el MMRTG podrían ser algo exageradas, ya que el isotopo más abundante que contiene es el Plutonio-238, el cual no es fisible, es decir, no produce reacciones nucleares de fisión, por tanto, no puede explotar como una bomba atómica. Solo emite radiación alfa cuyas partículas son núcleos de Helio, es decir átomos de He sin su capa de electrones 4He2+, emitidos a gran velocidad.

El plutonio-238 (Pu-238) es un isótopo inestable y se desintegra mediante la emisión de una partícula alfa para convertirse en uranio-234 (U-234). Las colisiones de estas partículas alfa con su entorno crean el calor utilizado por los RTG para generar electricidad. Imagen: NASA

Una contaminación exterior es poco probable que produzca daño al ser humano debido a que su capacidad de penetración es pequeña. Aun expuesto a la atmósfera, pierde rápidamente su energía cinética, porque interacciona fuertemente con otras moléculas debido a su gran masa y carga eléctrica. En general no pueden atravesar una hoja de papel, y no atraviesan la piel de las personas. Diferentes consecuencias existen si el material radiactivo ha sido ingerido o inhalado, ya que en ese caso las partículas alfa actúan localmente como proyectiles contra los tejidos causando un gran daño fisiológico.

Gracias a la poca penetración de las partículas alfa, es seguro usar este sistema para alimentar la electrónica del Perseverance e incluso para ser manipulado por los operarios. Como resultado de su desintegración entrega energía en forma de calor de tal forma que un gramo emite una potencia calorífica de 0,56 vatios por gramo. Con el transcurrir de los años, el Pu-238 decae en Uranio-234 y tras una serie de desintegraciones lo que queda es plomo-206.

El MMRTG del Perseverance

El MMRTG del Perseverance está ubicado en la popa del rover, y contiene 8 módulos de fuente de calor de uso general (GPHS) de dióxido de Plutonio, que contiene el Pu-238. La masa total de isotopo es de 4,8 kilogramos, los que inicialmente proporciona 2000 vatios aproximadamente de potencia térmica. Esto se traduce en un promedio de 110 vatios (2,7 kWh / día) de potencia eléctrica cuando sé encuentra expuesto a entornos de espacio profundo, aunque esa energía disminuirá gradualmente un porcentaje cada año de una forma muy predecible. La actividad del plutonio en el MMRTG es de unos 60.000 Ci (2,22E+15 Bq) y se encuentra en forma de diferentes isótopos, pero el combustible principal en términos de masa y actividad total, es Pu-238.

Para la conversión calor-electricidad se dispone de 768 termopares compuestos de PbSnTe, TAGS y PbTe, TAGS es un acrónimo que designa un material que incorpora telurio (Te), plata (Ag), germanio (Ge) y antimonio (Sb). Es el mismo termopar que se empleó en las dos sondas Viking, las primeras que aterrizaron en Marte en 1976 y han demostrado una vida útil prolongada con buena capacidad de rendimiento.

Dada la configuración circuital de los termopares, el MMRTG entrega un potencial de 28 V de corriente continua y al contrario de lo que mucha gente cree, no alimenta directamente a los sistemas de la nave, sino que se usa para recargar dos baterías de ion-litio. Cada una de estas tiene 43 Ah de capacidad y pesan en total 26,5 kg. La potencia eléctrica demandada por el Perseverance puede alcanzar los 900 W durante las actividades científicas. Las dos baterías recargables pueden satisfacer las demandas máximas de las actividades del rover que superan la capacidad de entrega de la fuente nuclear.

Se entiende que, para reducir riesgos durante contrastes térmicos elevados, la mayor parte de instrumentos del rover se apagarán durante las horas más gélidas. El extremo caliente de los termopares trabajará a una temperatura de 520 °C miewntras que el lado frío lo hizo a 75 °C durante su viaje por el espacio, y entre 150 y 185 °C en Marte, según la temporada.

Además de generar energía eléctrica útil, el MMRTG produce calor. Parte de este calor se utiliza para mantener los sistemas del rover a las temperaturas de funcionamiento adecuadas en el gélido frío del espacio y en la superficie de Marte. Los tubos de color dorado de los intercambiadores de calor forman parte de los circuitos de refrigeración de ese sistema. Los tubos llevan un líquido refrigerante llamado Triclorofluorometano (CFC-11) que ayuda a disipar el exceso de calor. Los mismos tubos se utilizan para canalizar parte del calor hacia el interior del vehículo.

El módulo MMRTG tiene aproximadamente 64 centímetros de diámetro (entre extremos de aletas), y unos 66 centímetros de alto, su peso total es de 45 kilogramos. Se encuentra protegido por varias capas que le confieren la calificación de seguridad propia de una fuente de energía nuclear. Con esto se ha minimizado la liberación y dispersión de material nuclear en una amplia gama de posibles condiciones de accidente.

Para reducir al mínimo los riesgos de fuga radiactiva, el combustible nuclear está almacenado en módulos con blindaje térmico individual. Estos se envuelven en una capa de iridio y se sellan dentro de bloques de grafito. El revestimiento de iridio es una característica de seguridad que bloquea las partículas alfa emitidas por el plutonio. También tiene una alta temperatura de fusión (2400 °C), lo que será útil en caso de que falle el sistema de refrigeración. La función del grafito es favorecer la distribución de la temperatura y juntos ofrecen alta resistencia ante impactos.

El núcleo del MMRTG es una pila de ocho de estos módulos, y está rodeado por una carcasa de aleación de aluminio. En caso de un accidente a gran altura durante el lanzamiento, la carcasa de aluminio se derretiría, lo que dispersaría los ocho módulos. Esos módulos de menor masa tendrían velocidades terminales más bajas que todo el MMRTG. A sus velocidades más bajas, los aerosoles de fibra de carbono podrán sobrevivir al calor de una reentrada accidental (aeroshell). Incluso si los pellets están sujetos a fuerzas lo suficientemente grandes como para romperlos,

Si bien un RPS nunca ha sido la causa de accidente de una nave espacial, si han estado a bordo de tres misiones espaciales estadounidenses que fallaron por otras razones. En los tres casos, el RPS funcionó exactamente como se diseñó. Por ejemplo, un RPS estaba a bordo de un satélite meteorológico de la NASA que sufrió un aborto de lanzamiento en 1968: el combustible radioisotópico estaba completamente contenido, el generador se recuperó del fondo del océano y el combustible se reutilizó en una misión futura.

El MMRTG del Perseverance está diseñado para tener una vida útil de 14 años, mucho más allá de la duración de la misión principal Mars 2020 que es de 1,5 años de Marte (tres años terrestres), pero incluso se puede esperar que produzca energía mucho más tiempo que eso. Según el DOE, los RTG están “diseñados para durar”.

El próximo MMRTG que se planea utilizar es el que impulsará la misión del módulo de aterrizaje Dragonfly para explorar la luna más grande de Saturno, Titán. El lanzamiento de Dragonfly está programado para 2026. Dado que la energía solar no es una opción viable en la atmósfera brumosa de Titán, se espera que el MMRTG desempeñe un papel importante en el suministro de energía a la nave espacial. Un sistema MMRTG también asistirá a Trident, una misión de bajo coste para explorar Neptuno y Tritón también a enviar en 2026.
La NASA entiende que la experiencia que se obtiene de esta misión allana el camino que nos queda para misiones humanas en Marte de la próxima década de 2030. Es seguro que esta tecnología impulsará esa exploración.