Curiosity, corazón de plutonio

Curiosity ya está en Marte. Ha orientado sus antenas para comunicarse con sus creadores. Ha desplegado sus instrumentos. Ha comenzado a tomar fotografías de su entorno y de sí mismo con sus múltiples cámaras. Está probando sus diferentes sensores analizando las primeras rocas —de momento, un poco emocionante basalto. Se ha hecho ya la primera herida: ese sensor en forma de dedo para medir el viento que con tanto mimo construyeron científicos e ingenieros españoles.

Curiosity de perfil. (Foto: JPL)

Fijáos bien en el rover. No tiene paneles solares, como sus predecesores en la superficie marciana. E pur si muove, que diría Galileo —con los ojos como platos, no me cabe duda— si pudiéramos traerlo a nuestros tiempos. La magia está en la cola, ligeramente levantada y rodeada de aletas de refrigeración. Sí, de refrigeración: donde Spirit y Opportunity sufrían —Opportunity sigue sufriendo— una agobiante sed de energía, donde ellos están a expensas de los caprichos de la inclinación topográfica y de los remolinos de viento para saber si tendrán suficientes amperios con los que activar sus mecanismos, Curiosity tiene que disipar calor. Es, en efecto, magia. Magia nuclear.

Curiosity funciona, se mueve, vive gracias a un corazón nuclear. Su nombre: generador termoeléctrico de radioisótopos, o RTG (por las siglas del inglés Radioisotope Thermoelectric Generator). Vamos a dar un paseo para conocer y comprender un poco mejor el qué, algo de los cómos y un poco de los porqués de este pequeño milagro de la tecnología.

El corazón del corazón

Curiosity lleva un MMRTG —Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, o generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión, que es como se denomina al diseño de RTG optimizado para entornos múltiples (del vacío del espacio a la superficie de planetas con atmósfera). En su interior, protegido por su carcasa con aletas, tuberías de freón y termocuplas hay ocho pilas con blindaje de grafito. Cada pila contiene dos bloques de iridio rellenos de dióxido de plutonio. En total, el RTG contiene 4,8 kilogramos de PuO₂. Pero no un plutonio cualquiera, del que puede encontrarse en el chino de la esquina (un día de estos me acerco y pregunto, prometido).

Esquema del MMRTG de Curiosity. (Ryan Bechtel, U.S. Department of Energy)

Se trata de ²³⁸Pu, que difiere por un solo neutrón del más conocido ²³⁹Pu. El isótopo “habitual”, el 239, tiene una vida media de 24200 años. Su compañero 238, por el contrario, solo tiene una vida media de 87,74 años. Es decir, que una tonelada de ²³⁹Pu genera tantas desintegraciones por segundo como… ¡3,6 kilos de ²³⁸Pu! ¿Sacamos ya las pancartas de “nuclear no, gracias”?

Nuclear… Vamos a ver, gracias

Un momento. En la radiactividad, como en muchos otros hechos de la vida, el diablo está en los detalles. Es cierto que ²³⁸Pu es mucho más “activo” que ²³⁹Pu. La fama que tiene este último, ganada a pulso en Nagasaki, no ayuda. Sin embargo, la radiactividad, al contrario que la radiación electromagnética, no es solo de un tipo. Tanto ²³⁸Pu como ²³⁹Pu son emisores alfa: es decir, su modo de desintegración natural consiste en desgajar de su núcleo una partícula alfa (α), que no es otra cosa que un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones, por tanto con carga eléctrica neta positiva). Pero ²³⁹Pu tiene, además, la fea costumbre de fisionarse —romperse— espontáneamente, emitiendo además neutrones y rayos gamma. 11 kilos de ²³⁹Pu con forma de bola es todo lo que se necesita para iniciar y sostener una reacción en cadena explosiva.

El plutonio que lleva Curiosity es mucho más radiactivo que el de las bombas atómicas, pero no puede estallar porque no es fisible. Solo puede desintegrarse liberando partículas α. Las α son relativamente grandes en el mundo nuclear: fáciles de apantallar —una hoja de papel o nuestra propia piel basta—, peligrosas solo si se inhala o se ingiere su fuente. Hasta el punto de que Curiosity no lleva ninguna protección específica para evitar la irradiación α de los técnicos que lo montaron y lo cargaron en su cohete Atlas V antes de emprender el camino a Marte.

¿Por qué ²³⁸Pu y no, digamos, nubes de azúcar rosas?

El combustible nuclear de un RTG tiene que cumplir una serie de requisitos muy específicos en función de su uso previsto. Podremos decir que un isótopo radiactivo es adecuado para su utilización en un RTG en función de cómo se mide respecto de esta lista de la compra:

  • Tiene que desintegrarse exclusivamente mediante partículas α. Estas partículas chocarán contra los propios átomos del combustible y de la carcasa, cediendo energía y haciéndolos vibrar. Es decir, calentándolos. Otras formas de desintegración, o desintegraciones mixtas, son indeseables: dan menos energía, incrementan los requisitos de apantallamiento radiológico o ambas cosas a la vez.
  • Tiene que tener una vida media relativamente larga, pero no tanto como para que la emisión energética sea muy pobre. Queremos una pila que funcione de forma estable y fiable durante años, no un trozo de metal levemente radiactivo que dure eones y del que sea difícil o imposible extraer energía o —lo contrario— un bloque intratable de metal fundido.
  • La potencia térmica por unidad de masa debe ser la mayor posible dentro de la capacidad térmica del sistema. A fin de cuentas, vamos a montar el RTG en un cohete, y cada kilo de menos cuenta.

Ya hemos visto que el isótopo de plutonio usado en el RTG de Curiosity no supone un peligro radiológico a pesar de su altísima actividad (comparado con el plutonio “normal”). ²³⁸Pu es lo más parecido a una brasa de carbón que se mantiene encendida y caliente durante décadas: 540 W/kg cuando está nuevo, decayendo lentamente a la mitad en una vida media (87,74 años, recordemos), a la cuarta parte en el doble de tiempo…

Elemento de combustible del Curiosity. (Foto: Idaho National Laboratory)

²³⁸Pu es el único isótopo de toda la tabla que tiene todas esas propiedades en sus cantidades justas. El siguiente mejor es el americio-241, pero su desintegración no es tan limpia, por lo que requiere más apantallamiento para trabajar con él (alrededor de 18 mm de plomo). Peor aún: su densidad energética es solo de la cuarta parte que la de ²³⁸Pu. A cambio, su vida media es de varios siglos.

Preparando plutonio para el espacio

El plutonio de Curiosity se fabrica mediante un procedimiento muy complejo. Su historia comienza con las barras de combustible gastado de centrales nucleares. El uranio-238 que contienen (uranio “normal”, mezclado con el 235, que es el isótopo fisible) ha recibido a lo largo de los años de funcionamiento una irradiación de neutrones que lo ha transmutado, en parte, en neptunio-237.

El neptunio-237 (²³⁷Np) no sirve para nada. Es “basura radiactiva”, con una vida media de más de dos millones de años. Fisible, y por tanto un peligro —potencial— por su posible uso en bombas atómicas (nunca se ha construido una bomba de neptunio, pero podría hacerse, al menos en teoría). Transformar el ²³⁷Np en ²³⁸Pu ofrece la posibilidad de convertir algo inútil y posiblemente peligroso a larguísimo plazo en un combustible de uso simple y relativamente libre de riesgos.

La conversión se realiza mediante el bombardeo de dianas de ²³⁷Np con neutrones, aunque la parte complicada del proceso no es esa, sino la separación del neptunio de los elementos combustibles gastados y su purificación, que requiere de múltiples procesos químicos con sus correspondientes desechos

Seguridad, que no falte

El proceso de fabricación de los bloques de PuO₂ esconde algún detalle interesante más. El resultado final contiene cierto porcentaje de isótopos de plutonio distintos del 238: no tengo a mano las cifras del RTG de Curiosity, pero los RTGs de Cassini contenían alrededor de un 13% de ²³⁹Pu (es decir, plutonio normal, o todo lo normal que puede ser el plutonio). El ²³⁹Pu también suele emitir partículas α, pero tiene cierta tendencia a soltar un neutrón de vez en cuando. ¿Qué hacer?

El PuO₂ se produce mediante la reacción del plutonio con agua —sencillo, ¿no? Pero tampoco vale cualquier agua. Necesitamos una enriquecida en oxígeno-16. Dicho así, parece algo malo; sin embargo, la mayor parte del oxígeno natural es ya ¹⁶O, y solo existen trazas de ¹⁷O y ¹⁸O por ahí. Ambos son isótopos estables (no radiactivos), pero tienen cierta tendencia “extra” a capturar neutrones que los hace indeseables para aplicaciones en los que sus compañeros de juego van a ser átomos de plutonio. De forma que los quitamos. Las separaciones isotópicas son procesos caros: pensad que dos isótopos de cualquier átomo dado solo difieren entre sí por la masa de los neutrones de más (o de menos) que lleve cada uno. Y la masa de un neutrón es de 1,675×10⁻²⁷ kg…

Eso ya no se fabrica aquí

Los EE.UU. producían todo su plutonio para usos espaciales en la factoría conocida como Savannah River Site (SRS), en Carolina del Sur. El SRS era un lugar en el que las consideraciones de seguridad radiológica ocupaban un segundo lugar frente a la todopoderosa “seguridad nacional”. Porque, en efecto, el objetivo de las instalaciones del SRS eran refinar isótopos radiactivos para fabricar bombas atómicas.

La distensión nuclear y la creciente concienciación “verde” de la población civil consiguieron que la agencia de protección medioambiental estadounidense (la conocida EPA) tomara cartas en el asunto. Las instalaciones comenzaron a cerrarse o a ver su uso fuertemente restringido, y comenzó un difícil, caro y necesario proceso de limpieza de los vertidos realizados durante décadas.

Lamentablemente, la producción de ²³⁸Pu también se detuvo. Los stocks del plutonio especial para los RTGs usados en misiones más allá de la órbita marciana terminaron agotándose en 2010. ¿Donde conseguir más? Los gestores de la NASA dieron el único paso lógico: comprar un billete de avión a Rusia.

La conexión soviética

Mayak (Маяк) significa “faro” en ruso. Es el nombre de una conocida marca soviética de radiocasetes, con cierto renombre en el soviet vintage —copado por las famosísimas cámaras Lomo. También es la denominación de la Sociedad de Producción Mayak, antaño uno de los lugares más secretos de la Tierra y conocido en el mundillo de la inteligencia tan solo por su código postal, Chelyabinsk-65.

Mayak, vista de satélite anotada. (Foto: NASA, Jan Rieke)

Los soviéticos siempre mantenían —y generalmente ocultaban— un equivalente para cualquier instalación o sistema americano que sus líderes consideraran importante. Invariablemente ese era el caso para cualquier cosa relacionada con la seguridad nacional. Mayak era el equivalente del SRS. La tradición exigía que cualquier instalación “equivalente” fuera, en realidad, más grande, más potente o mejor en algún conjunto arbitrario de parámetros. Mayak, naturalmente, no iba a ser menos, aunque con un giro desagradable.

Los americanos despreciaron la seguridad radiológica en el SRS con la vista puesta en fabricar bombas lo antes posible, así que los gestores de Mayak no fueron más cuidadosos. Llegaron, en 1957, a correr un tupido velo sobre la explosión de un tanque de residuos que liberó de 50 a 100 toneladas de isótopos de gran actividad sobre una amplia zona de los Urales. Dicen algunas malas lenguas que la CIA lo supo y lo ocultó pensando en lo que tenían en casa. Todavía hoy pueden detectarse niveles peligrosos de radiación en algunos puntos del río Techa, afluente del Ob que discurre por la zona.

Mayak producía ²³⁸Pu entre otros muchos isótopos con un objetivo muy definido. La Unión Soviética desplegó una gran cantidad de RTGs, pero la mayoría de ellos no fueron al espacio, sino a lugares ligeramente menos remotos: las eternamente heladas costas del norte de Siberia. Allí, los faros que indicaban a los rompehielos la posición de los diferentes accidentes geográficos funcionaban gracias a RTGs —muchos de ellos de estroncio-90, un isótopo de producción más sencilla que el ²³⁸Pu, pero con la tercera parte de la vida media y un rendimiento térmico por kilo algo menor (460 W/kg).

El futuro de la producción del ²³⁸Pu

Los nuevos tiempos van llegando también a Mayak. Una desafortunada consecuencia es que la producción de ²³⁸Pu también se ha detenido allí. En la actualidad no existe ningún lugar en la Tierra que produzca el plutonio necesario para los RTGs del modelo que monta Curiosity. Existe un proyecto para reiniciar la producción de ²³⁸Pu en los EE.UU. a partir de los stocks existentes de ²³⁷Np, con estándares de seguridad medioambiental modernos y una gestión de residuos responsable —y sin generación de residuos de alta actividad, por cierto.

Desafortunadamente, el Congreso asignó un 0% exacto de los fondos solicitados para el año fiscal 2012. ¿El problema? No se han puesto de acuerdo en qué agencia debe soportar el coste presupuestario: el DOE —Department of Energy, los que deben fabricarlo— o la NASA —los usuarios finales. Seguramente habríais pensado que la política, fuera de España, era un asunto racional. Pero ya veis. Las existencias, contando lo comprado en Rusia, dan para misiones previstas hasta 2022. Si el problema presupuestario se resolviera para el siguiente ejercicio, el nuevo plutonio empezaría a salir de la “cadena de montaje” en 2020. Seguramente podemos hacerlo un poco más emocionante esperando más.

¿Lo podemos romper? ¿Y si se hubiera caído?

Un aspecto a tener muy en cuenta en el diseño de sistemas alimentados por energía nuclear que deben viajar al espacio es la posibilidad de que sus lanzadores fallen. El excandidato a la presidencia de los EE.UU. Ralph Nader, y con él muchos ecologistas del ramo os dirán que 4,8 kilos de plutonio, adecuadamente repartidos, dan para matarnos a todos 12 veces. En comparación, la realidad parece casi benévola: el plutonio de Curiosity, inhalado en forma de aerosol, podría llegar a matar “solo” a 22 millones de personas.

Sin embargo, no existe ningún accidente concebible que permitiera una pulverización tan perfecta del combustible. Ni la explosión del cohete en la plataforma de lanzamiento, ni un fallo en la inserción orbital seguido de una caída desde más de un centenar de kilómetros de altura, ni cualquier explosión durante la propulsión con la subsiguiente caída. El diseño mecánico del MMRTG garantiza que el peor accidente posible expondría a las personas cercanas a una dosis de radiación comparable a una semana de exposición al nivel medio natural (alrededor de un milirem por día).

En cualquier accidente normal, y casi todos los raros, Curiosity habría resultado destruido —ya que tiene el tamaño de un utilitario, valdría la expresión “siniestro total”. Pero los elementos de combustible de las pilas habrían sido localizados entre los restos y puestos a punto para la siguiente misión sin el mayor problema.

¿Cómo estamos tan seguros de eso?

Tanto el fabricante —Pratt and Whitney— como el laboratorio donde se cargaron los módulos de combustible del MMRTG de Curiosity —el Idaho National Laboratory— realizaron todas las pruebas imaginables para asegurar el comportamiento del sistema frente a vibraciones e impactos durante lanzamientos normales y “accidentados”. Las pruebas realizadas fueron:

  • Sobrepresión causada por explosión.
  • Impacto por fragmento proyectado.
  • Caída.
  • Fuego provocado por combustible sólido.
  • Impacto con carcasa y sin carcasa.
  • Impacto directo sobre elemento de combustible.
  • Impacto por gran fragmento.
  • Impacto por placa voladora.
  • Impacto longitudinal en RTG completo.
  • Prueba de ductilidad de los contenedores de iridio.

Mecánicamente, el MMRTG es seguro. Pero la mejor prueba es un accidente real. Y eso ya ha ocurrido. Varias veces.

La primera vez el sistema no estaba reforzado para soportar el calor de la reentrada. El lanzador del satélite americano Transit-5BN-3 no logró ponerlo en órbita en 1964. El satélite, su RTG y su plutonio terminaron ardiendo en la atmósfera sobre Madagascar. Pudieron detectarse trazas de ²³⁸Pu en el aire varios meses después. No lo suficiente para que nadie enfermara.

La segunda vez, en 1968, el cohete que lanzaba el segundo satélite meteorológico de la serie Nimbus —americana, también— se descontroló y el control de misión hubo de destruirlo. El RTG cayó intacto al mar, y así se recuperó cinco meses más tarde. Tras quitarle las algas y adecentarlo un poco, acabó montado en el siguiente Nimbus, donde funcionó a las mil maravillas.

¡Y los Apolo! Las misiones del programa Apolo llevaban RTGs en el módulo lunar. Se suponía que debían quedarse en la Luna. Hasta que Jack Swigert pronunció la famosa frase en la que todos estáis pensando, cuando iba camino de la Luna acompañado de Lovell y Haise a bordo del Apolo XIII. El uso del módulo lunar como bote salvavidas para los astronautas tuvo una consecuencia poco divulgada: acabó reentrando en la atmósfera terrestre, con su RTG y todo. Sus restos están un poco a desmano en el océano Pacífico, a una profundidad de entre seis y nueve kilómetros, en la zona de la fosa de Tonga. Nunca se ha detectado plutonio allí, así que se supone que el RTG está intacto. Se calcula que el agua del mar degradará la carcasa y terminará exponiendo el plutonio, pero no antes de que pasen ocho de sus vidas medias —700 años, mes arriba o abajo. Normal que no se hayan dado prisa para recogerlo.

Generando electricidad

El rendimiento térmico, contando pérdidas del sistema, del MMRTG es de alrededor de 2 kW. La parte eléctrica ofrece, sin embargo, unos comparativamente escasos 110 W. ¿Qué ocurre entre medias? ¿Por qué se pierde tanto?

Mientras pensáis la respuesta, echad un vistazo a este fragmento de una tira de Dilbert.

Fragmento de la tira de Dilbert del 10/10/1993. © Scott Adams. Visita el sitio pulsando aquí para ver la tira completa.

El generador por efecto Seebeck del coche de Dilbert se parece mucho a un RTG. Cilíndrico, con aletas longitudinales… Aunque 600 millas por hora parecen muchas para un coche alimentado por uno, sabiendo lo que ya sabemos. Por añadidura, en la cuarta viñeta Dilbert habla del Sol como fuente última de la energía. ¿Será que le paga el lobby nuclear?

La única conclusión posible es que Dilbert miente como un vulgar político. Su coche lleva un RTG que funciona, cierto, gracias al efecto Seebeck. Pero su fuente de energía no es el Sol, sino unos bloques de plutonio como los de Curiosity que a saber de dónde habrá sacado —aunque nunca nos han contado en qué empresa trabaja con Wally, Alice y su encantador Jefe con el Pelo en Punta (Pointy-Haired Boss, o PHB, para abreviar). El coche podrá circular unos años sin repostar, aunque su velocidad máxima quizá sea parecida a la de Curiosity: 4 centímetros por segundo, 144 metros por hora. ¿Qué es ese efecto Seebeck?

El último termocuplé

Esquema eléctrico de una termocupla de semiconductores montada como generador eléctrico.

Brevemente, el efecto Seebeck permite la generación directa de electricidad a partir de dos focos de calor, uno caliente y otro frío. Dos semiconductores tipo n —con exceso de electrones en su estructura cristalina— y tipo p —con exceso de huecos, que es una forma alambicada de decir “electrones de menos”— se fijan por difusión en dos sustratos metálicos acoplados a cada uno de los focos y formando un anillo. Los dos semiconductores, expuestos a la diferencia de temperaturas, responden con un patrón distinto de difusión de sus portadores internos (electrones o huecos). Esto crea un campo electrostático que se opone a la diferencia, y por tanto un generador de voltaje continuo. Ya tenemos nuestra termocupla.

El voltaje generado será proporcional a la diferencia de temperaturas de los focos y a unos coeficientes propios de cada par de semiconductores, llamados coeficientes de Seebeck (sorpresa) y medidos en V/K (voltios por Kelvin).

Las termocuplas de Curiosity son un modelo fabricado por Teledyne Energy Systems. El semiconductor de tipo n —con exceso de electrones— es telururo de plomo (PbTe), y el correspondiente de tipo p —con exceso de huecos— tiene el nombre comercial de TAGS y es un compuesto complejo de plata, antimonio, germanio y teluro.

Poca electricidad

Antes de que penséis en las maravillosas aplicaciones del efecto Seebeck que, sin duda, las petroleras están ocultando para que sigamos quemando gasolina, pensad que tanto las termocuplas de semiconductores como las metálicas (que también hay) tienen coeficientes de Seebeck del orden —como mucho— de las decenas de microvoltios por Kelvin (un Kelvin es igual de grande que un grado centígrado, solo que el cero de la escala está en otro sitio: 0 K = –273,15 ºC).

Se ve sin necesidad de hacer números que nos harán falta bastantes de estas uniones, conectadas en serie, para empezar a generar voltajes que puedan alimentar dispositivos electrónicos normales. Además, eso de mantener diferencias grandes de temperatura en un dispositivo de tamaño manejable no es tan fácil como parece. El rendimiento de conversión térmica-calorífica de Curiosity es alarmantemente bajo: no llega al 6%. Afortunadamente, todo ese calor no se genera en balde.

Mucho calor

Curiosity disipa parte del calor residual de su plutonio a través de las aletas de su cola, pero una parte importante se utiliza para mantener la mayor parte de los componentes del rover a temperaturas adecuadas para su funcionamiento —excepción hecha de algunas partes articuladas, como el brazo de muestreo, que llevan calefactores alimentados eléctricamente.

La distribución del calor se hace mediante un circuito intercambiador lleno de gas freón, casi igual que el de los frigoríficos terrestres. Serpentín alrededor del RTG, una bomba (más de una, por redundancia) y tubos por todos lados para mantener calentito el conjunto. No exactamente igual porque está montado al revés —claro, se trata de calentar el rover, no enfriarlo— y los refrigeradores de la Tierra tienen prohibido usar freón desde hace años. El freón es un poderoso generador de efecto invernadero, y evitar su escape a la atmósfera en los desguaces es prácticamente imposible (léase: caro). En Marte, sin embargo, un poco de efecto invernadero no puede hacer mucho daño.

Un día normal para el RTG de Curiosity

Veamos un RTG normal. Por ejemplo, el de la sonda Cassini, que está sacando esas fotos alucinantes de Saturno y sus lunas. El foco caliente está junto al plutonio, a una temperatura nominal de 1270 K (casi 1000 ºC). El foco frío, expuesto al vacío del espacio, está a 566 K (casi 300 ºC). Naturalmente, el espacio no está a esa temperatura. Es el calor del plutonio, que no tiene a bien quedarse en el foco caliente de las termocuplas. Pero se disipa bastante, y tenemos así una diferencia térmica respetable.

Los datos que manda la estación meteorológica REMS de Curiosity nos indican que en la superficie la temperatura oscila entre los –75 ºC de mínima nocturna y los 0 ºC de máxima diurna. Es decir, suficiente para que un ruso en mangas de camisa empiece a preocuparse. Esto nos indica que el MMRTG de Curiosity debería tener una eficiencia menor que el de Cassini. También que dispondrá de más energía por la noche que a mediodía, si no fuera porque…

¿Baterías? Más madera, esto es la guerra

¿Cómo hacer que la electrónica de Curiosity “vea” un voltaje estable a lo largo de los años e independientemente de las diferencias de temperatura ambiente de un mismo día, o de las estaciones marcianas? Claro: las termocuplas del RTG de Curiosity no alimentan ningún dispositivo de forma directa. En su lugar, cargan unas baterías.

Curiosity lleva dos baterías de litio-ión, cada una con una capacidad de carga de 42 amperio-horas. Como comparación, las baterías de nuestros móviles oscilan normalmente entre los 0,8 A·h y los 1,5 A·h, así que se trata de unas señoras baterías. Se mantienen a una temperatura de operación óptima día y noche gracias al circuito calefactor, y permiten desacoplar las actividades del rover de la generación de energía, que se gestionará mediante un “presupuesto energético”.

Diariamente, Curiosity podrá disponer de una energía máxima de 2600 W·h, que se irá reduciendo poco a poco según avance la misión debido a la desintegración de su combustible. Las baterías permitirán distribuir esa energía para priorizar unas tareas frente a otras: movimientos, toma de muestras, cámaras, análisis químicos y descansos nocturnos para recargarse tranquilamente.

Catorce años no son nada

A lo largo de nuestro recorrido por el RTG de Curiosity hemos visto que el plutonio puede ofrecer energía térmica durante muchas décadas. Sin embargo, el objetivo del Idaho National Laboratory era garantizar el funcionamiento del RTG durante catorce años. ¿Por qué “tan poco”? ¿Durará tanto la misión de Curiosity?

Catorce años funcionando en Marte, aunque tu combustible tenga una vida media de casi 88, es una eternidad. Las uniones de las termocuplas también se degradarán por la temperatura, y el voltaje que generarán será cada vez más pequeño mucho antes de que se haya gastado ni la cuarta parte del plutonio. De ahí el límite de catorce años especificado por el fabricante.

Pero incluso esos catorce años son muchos para un aparato tan complejo como Curiosity. Son, literalmente, miles los sistemas que podrían fallar durante ese tiempo, dejando al rover parcial o totalmente inoperativo. Particularmente crítico es su sistema de calefacción, aunque la experiencia de Spirit apunta también a inevitables problemas con las partes móviles.

Sin embargo, yo creo que Curiosity tiene una buena mano que jugar en Marte y que su misión se extenderá bastante más allá del año marciano previsto. Salvo golpes de mala suerte, de los que solo ha habido uno, pequeño, que se ha llevado por delante uno de los sensores de viento de una pedrada. Crucemos colectivamente los dedos y asistamos, maravillados, al milagro de la tecnología humana recorriendo los lejanos, fríos y extrañamente hermosos paisajes de ese planeta rojo que, como un pequeño faro en el cielo, nos llama.


Este artículo ha sido galardonado con el premio Experientia Docet a la excelencia en la divulgación científica.


Para saber más

“Development and Performance of Processes and Equipment to Recover Neptunium-237 and Plutonium-238”, Harold J. Groh, W. Lee Poe, and John A. Porter, Westinghouse Savannah River Company, 2000, http://www.c-n-t-a.com/srs50_files/165groh.pdf

“Mars Science Laboratory Launch”, kit de prensa, National Aeronautic and Space Administration, 11/2011, http://mars.jpl.nasa.gov/msl/news/pdfs/MSLLaunch.pdf

“Will NASA Ever Recover Apollo 13′s Plutonium From the Sea?”, M. Van Dusen, Txchnologist—Marine Technology, vol. 9, 11/2011, http://www.txchnologist.com/2011/will-nasa-ever-recover-apollo-13s-plutonium-from-the-sea

“The Plutonium Problem: Who Pays For Space Fuel?”, N. Greenfieldboyce, NPR, 11/2011, http://www.npr.org/2011/11/08/141931325/the-plutonium-problem-who-pays-for-space-fuel

“Mars Science Laboratory Fact Sheet”, Idaho National Laboratory, http://www.inl.gov/research/mars-science-laboratory/

“Curiosity’s Dirty Little Secret”, G. Brumfiel, Slate, 8/2012, http://www.slate.com/articles/health_and_science/science/2012/08/mars_rover_curiosity_its_plutonium_power_comes_courtesy_of_soviet_nukes_.single.html

“Rover headed to Mars with INL power system on board”, N. Stricker, Idaho National Laboratory, https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt/community/newsroom/257/feature_story_details/1269?featurestory=DA_584405

“Nimbus-B, 3”, G. D. Krebs, Gunter’s Space Page, http://space.skyrocket.de/doc_sdat/nimbus-3.htm

Para todo lo demás, Wikipedia es vuestra amiga (y la mía).

Publicado por

Iván Rivera

Another instance of Homo sapiens.

31 comentarios sobre “Curiosity, corazón de plutonio”

    1. Se hace lo que se puede. Los RTGs están en la intersección de dos tecnologías que me apasionan: la espacial y la nuclear. Preparar un artículo en esas condiciones es fácil: como un viaje por territorios conocidos en parte, pero que siempre guardan nuevos paisajes, nuevos detalles, nuevas gentes que descubrir y de los que aprender. Si además te lo lees y lo disfrutas, el placer es redondo.

  1. Esta entrada ha sido merecedora del Premio ED a la Excelencia en la Divulgación Científica. ¡Enhorabuena!
    http://www.experientiadocet.com/2010/11/premio-ed-la-excelencia-en-la.html

    1. ¡César! ¡Pero si yo no entiendo ni los captchas de los internets un 50% de las veces!

      Ahora en serio. Gracias. Muchas gracias.

  2. Excelente entrada.
    He encontrado lo que creo es una pequeña errata:
    “Esto nos indica que el MMRTG de Curiosity debería tener una eficiencia menor que el de Cassini.”

    Si la temperatura ambiental de marte es menor y resulta mas facil disipar el calor… la eficiencia debe ser mayor que en la sonda Cassini y no menor.

  3. Enhorabuena por el articulo. Sobre todo por hacerlo tan interesante y facil de seguir para los profanos jeje.

    Suerte de internet. Poder acercase un poquito a los secretos que hay tras grandes acontecimientos como este, el LHC o el desastre de Fukushima, no tiene precio.

    Es un lujo poder contar con gente tan apasionada, que sepa transmitir conceptos y temas tan puramente cientificos. Ojala algun dia todos los profesores (universidades, institutos, etc) puedan ser como vosotros.

    Un saludo.

  4. Nota: los amperios hora no indican energía, habría que aclarar o bien Wh o bien indicar también la tensión de trabajo de las dos baterías a comparar. Para comparación una batería de un Seat Panda ronda los 40Ah c100 (descargada en 100 horas) a 12V nominales. Mi granito de arena a un post del que he aprendido un montón, enhorabuena!

  5. Impresionante artículo! Además, lo haces fácil de leer y ameno.
    Lo de los captchas, nos pasa a todos!

  6. Joder! me está encantando el post! me lo tengo que leer en varias veces porque estoy en el curro pero me lo termino 🙂 un 10! Y la forma de contar como se desintegran y pasan de uno a otro muy clara. Gracias por el post!

  7. Hola Ivan.
    Creo que he entendido muy poco de lo que explicas pero la idea básica es que las RTG proporcionan energía de forma constante que se aprovecha en gran parte como calor y en una parte menor como electricidad generada de forma directa.

    Después he entendido que el proceso nuclear que genera la energía se produce por una calse de radioactividad menos peligrosa que la que se usa en centrales nucleares convencionales.

    En esto último no me ha quedado clara una cuestión. Creo que, no estoy seguro, cuando un átomo de un elemento se divide en dos y aporta además energía, resulta en un nuevo elemento de peso atómico inferior. ¿No es así? En caso afirmativo. ¿Que elemento es el que resulta de la desintegración del plutonio 238? ¿Que caracteristicas tiene ese elemento? ¿Es radiactivo tambien?

    ¿Por qué no se aprovecha el plutonio 238 como combustible secundario en centrales termicas normales? P.E. calentando agua que mueva una turbina que genere electricidad.

    Gracias

  8. Genial. Muy ameno y muy bien explicado incluso para un hereje de la física como yo.

    Me ha encantado la entrada y la forma de contar todo.

  9. Enhorabuena por el artículo, está muy bien escrito y es muy ameno. Solo una corrección, el principal problema medioambiental del gas freón no es que sea un gas de efecto invernadero, sino que es un potente destructor de ozono. Que no es que pueda causar muchos problemas en Marte, que no tiene capa de ozono…
    Un saludo,
    Otro Ivan

  10. Un artículo extraordinario y merecidamente premiado. Tan solo señalar un pequeño error: el “freón” está prohibido debido a su efecto sobre la capa de ozono y no tanto por su efecto invernadero.Debido a la pequeña cantidad de oxígeno de la atmosfera de Marte, no hay capa de ozono como en la Tierra, por lo que no hay necesidad de proteger nada. Para más información:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorofluorocarbon
    Saludos

  11. Enhorabuena por el articulo. Muy interesante y fácil de leer para cualquiera. Me apunto a seguir leyendote.

  12. Muchas gracias a todos por vuestros comentarios. Intentaré contestar a todos los que habéis planteado alguna duda.

    A Barney e Iván:

    “Freón” designa un conjunto de compuestos clorofluorocarbonados, cada uno de ellos con características ligeramente distintas respecto de su capacidad de inducción de efecto invernadero o de destrucción de ozono. Naturalmente, la destrucción del ozono no es un problema en Marte. Respecto del efecto invernadero, tendría utilidad en caso de emprenderse un proceso de terraformación marciana. En ese caso no se usarían CFCs, sino algo más sencillo de fabricar in situ: vapor de agua.

    A Mikel:

    Como contaba en el artículo, la radiactividad no es un único fenómeno. Tienes claro lo fundamental: los núcleos tienen una masa (m) y los trozos en los que se rompen otras (m1 y m2, por ejemplo), y m es mayor que m1+m2. La diferencia es la energía que se desprende en el proceso. El combustible de las centrales es uranio-238 enriquecido con uranio-235 (en algunos modelos la mezcla lleva plutonio-239 de entrada, pero siempre acaba produciéndose). Los núcleos se parten en dos, más algunos neutrones sueltos que pueden dividir más núcleos. La energía “sobrante” calienta el refrigerante del reactor (agua a presión, por ejemplo).

    En la desintegración alfa uno de los trozos siempre es una partícula alfa. En los RTGs la energía del movimiento de esta partícula, al chocar con otros átomos de la estructura, calientan el conjunto. Es un proceso diferente y menos energético (también más fácil de controlar).

    No tendría sentido usar plutonio-238 como combustible secundario porque es difícil de producir (se produce algo, cierto, en todas las barras de combustible, pero es tan difícil de separar que no se utiliza esa vía para producirlo). Además, el calor que añadiría sería un porcentaje ínfimo del que genera la fisión del uranio. No sería muy práctico.

    El plutonio-238 se desintegra a uranio-234, éste a torio-230… La serie se denomina “serie del uranio”, y termina en el plomo-206, estable. Hasta ahí todos los elementos resultantes son radiactivos. Sin embargo la vida media del U-234 es muy larga (250000 años o así), lo que lo convierte en algo poco activo —reparte su energía durante muchísimo tiempo.

    A Miguel A. Peña:

    Cité los amperios-hora como “capacidad de carga” y los vatios-hora como “energía”, lo que es esencialmente correcto. No cité (buena idea, debería haberlo dicho) el voltaje nominal al que se usan las baterías: 28 voltios. La energía disponible en una descarga completa de las dos baterías sería entonces de 2352 W·h. La cifra de 2600 W·h no sale de ahí, sino la que puede entregar en un día el RTG. Los diferentes instrumentos de Curiosity, incluidos sus motores, pueden descargar las baterías en menos tiempo, pero se espera usar las noches marcianas para recargarlas. ¡Es interesante saber que la batería de un Seat Panda es comparable!

  13. ¡Falta una respuesta! Para albper:

    La temperatura “ambiente” en el entorno de la Cassini, en órbita de Saturno, no tiene sentido como concepto. Sin embargo, la propia sonda sí tendrá una temperatura superficial debido, fundamentalmente, a la radiación solar a esa distancia. Usando la fórmula para la temperatura de un cuerpo a distancia D del Sol que tienes en la Wikipedia (sale de la ley de Stefan-Boltzmann) y suponiendo, por simplificar, que Cassini es un cuerpo negro perfecto con albedo 0 (α = 0) y emisividad en el infrarrojo 1 (ε = 1), su temperatura superficial será de alrededor de 90 K (es decir, -183 °C). Como el albedo será mayor que cero, la temperatura en la superficie de sus RTG debería ser algo inferior. La mínima temperatura que ha visto Curiosity por las noches en Marte es de alrededor de -75 °C, así que el gradiente térmico es mayor para Cassini que para Curiosity, y por tanto sus termocuplas son —potencialmente— más eficientes. ¿Será así todavía? Con los 15 años que lleva Cassini en el espacio las uniones P-N de las termocuplas se habrán degradado un tanto, el plutonio ya no estará tan caliente…

  14. Pingback: Anónimo

Los comentarios están cerrados.