Desarrollo y aplicaciones de la energía nuclear en la exploración espacial

Borrego Robledo, Aroa (2020). Desarrollo y aplicaciones de la energía nuclear en la exploración espacial. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Desarrollo y aplicaciones de la energía nuclear en la exploración espacial
Author/s:
  • Borrego Robledo, Aroa
Contributor/s:
  • Ahnert Iglesias, Carolina
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: September 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Este trabajo va a mostrar los diferentes tipos de fuentes de energía usados para la exploración espacial, detallándose brevemente los sistemas de energía solar y electroquímica, centrándose en la energía nuclear, más concretamente en los generadores térmicos de radioisótopos que se explicará con más profundidad su funcionamiento y los modelos existentes. En primer lugar, se analizarán los distintos tipos de conversión energética, dónde se encuentran la conversión dinámica y estática, siendo la conversión estática la más empleada en el caso de los generadores térmicos de radioisótopos y la conversión dinámica la más empleada en los reactores nucleares. También se detallarán qué radioisótopos cumplen los requisitos para ser empleados como combustibles de los generadores, ya que, pese a que actualmente se conocen cerca de 1.500 radioisótopos, incluyendo tanto los naturales como los artificiales, no todos poseen las especificaciones necesarias para ser una fuente de calor eficiente de los generadores. Los combustibles de los RTGs tienen que emitir radiación de alta energía y de fácil absorción, poseer un período de semidesintegración moderado, tener una alta densidad de potencia, alta disponibilidad y bajo coste. De este modo los radioisótopos que cumplen todas, o la mayoría de las características anteriores, son el Plutonio-238, el Americio-241, el Curio-242, el Curio-244, el Estroncio-90, el Cesio-137, el Cerio-144, el Promecio-147, el Polonio-210, el Cobalto-60, el Rutenio-106 y el Tulio-170. En el trabajo se comentarán las características más destacables de cada uno de estos isótopos. Después, se realizará una serie de cálculos para determinar más propiedades de los radioisótopos previamente mencionados como la concentración inicial y la potencia térmica específica de estos radioisótopos. A continuación, se mostrará ordenando cronológicamente una recopilación del avance tecnológico que han sufrido los RTGs a lo largo de los años, dividiéndose en dos etapas principales, los primeros tiempos entre 1960 y 1970 y después de 1970. En los primeros tiempos destacan misiones como Nimbus III, Pioneer 10 y 11, Viking 1 y 2, todas ellas alimentadas con SNAPs-19, cuyo combustible era Plutonio-238, y las misiones Apollo que poseían SNAPs-27, que también empleaba como combustible el radioisótopo Plutonio-238, también hubo otros SNAPs como el SNAP-21 o el SNAP-23 que emplearon como combustible el Estroncio-90. En el período desde después de 1970 hasta la actualidad destacan las misiones Voyager 1 y 2 con un MHW-RTG, las misiones Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens y New Horizons con un GPHS-RTG y por último las misiones Curiosity y Perseverance que tenían un MMRTG. De entre todas estas misiones la más reciente es el rover Perseverance, que ha sido el último RTG lanzado al espacio el 30 de julio de 2020. A diferencia de en la etapa anterior, en este segundo período todos los generadores térmicos de radioisótopos han empleado Plutonio-238. Además de analizar las tecnologías empleadas en la construcción y desarrollo de los RTGs, también se analizarán dos tipos de generadores que están actualmente en investigación, un generador de la ESA cuya fuente de calor es el Americio-241 y, un generador DIPS, que destaca por emplear un sistema de conversión de energía dinámico. En este recorrido a lo largo de la historia de los RTGs se observará cómo se han ido cambiando los diferentes materiales termoeléctricos e incluso combustibles, siempre con el objetivo de conseguir la mayor eficiencia energética y la mayor optimización del combustible, aunque primando siempre la seguridad en caso de que se produzca un fallo en la misión. También se apreciarán los numerosos descubrimientos que se han realizado gracias a estos dispositivos, llegando a planetas, asteroides y distancias difícilmente alcanzables para otro tipo de fuentes de energía. Para cinco misiones de distintos períodos de duración, siendo los períodos 100 días, 1 año, 10 años, 20 años y 30 años, se han realizado una serie de cálculos para determinar los radioisótopos óptimos para alcanzar con éxito el objetivo de las misiones, el cual es tener al final de su vida una potencia eléctrica de 100 We. Para determinar los radioisótopos óptimos se han empleado los 12 radioisótopos anteriormente mencionados que cumplen la mayoría de las especificaciones establecidas para ser combustibles de un RTG y se han realizado una serie de cálculos para determinar datos necesarios como son las constantes de desintegración, las actividades finales, las cantidades y masas finales y las cantidades iniciales de radioisótopos necesarias para acabar la misión exitosamente. Para la realización de estos cálculos se ha supuesto que la eficiencia del RTG es del 6.7% por lo que la potencia térmica final sería de 1.492,53 Wth. Con los datos obtenidos, se calcula la masa inicial necesaria de cada radioisótopo para completar la misión y el coste de emplear dicho radioisótopo para cada misión. Para realizar las recomendaciones de los mejores radioisótopos se debe de tener en cuenta la disponibilidad de recursos, el presupuesto, y la duración de la misión. Con el objetivo de obtener un presupuesto más fiable, se suma al coste de emplear el radioisótopo en la misión al coste de enviar la masa de radioisótopo necesaria al espacio, para realizar este cálculo se tiene en cuenta que, según fuentes oficiales de la NASA, el precio de enviar un kilogramo de masa al espacio es de unos 10.000 dólares americanos, que son unos 8.508 euros. Para finalizar, el uso de estos dispositivos permite llevar la exploración espacial hasta límites insospechados, habiendo actualmente varias misiones activas que han completado sus objetivos exitosamente e incluso han alcanzado el espacio interestelar. Además, la investigación de numerosos planetas por parte de distintas sondas cuya fuente de potencia eléctrica era uno o varios generadores térmicos de radioisótopos, no hubiese sido posible con otras tecnologías debido a las condiciones extremas del espacio, así como las limitaciones de otras fuentes de energía.

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Item ID: 65352
DC Identifier: https://oa.upm.es/65352/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65352
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 02 Dec 2020 08:29
Last Modified: 11 Jan 2021 23:30
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