1. Qué expulsa un motor iónico y por qué empuja tan poco
Un cohete avanza lanzando algo hacia atrás: es el mismo principio que un globo que sale disparado cuando lo sueltas sin atar. En un motor iónico, lo que se lanza es xenón, un gas noble, como el helio o el neón, pero mucho más pesado, al que se le da carga eléctrica. Dos rejillas con una diferencia de casi 1300 voltios aceleran esas partículas cargadas y las expulsan [1].
Salen rapidísimo: unos 40 kilómetros por segundo, es decir, unos 144 000 km/h, unas 480 veces la velocidad de un tren de alta velocidad que va a 300 km/h. La NASA dice que es alrededor de diez veces más rápido que el escape de un cohete químico convencional [1].
Pero salir rápido no es lo mismo que empujar fuerte. Cada segundo sale muy poco gas, así que la fuerza sobre la sonda es diminuta: la del peso de una hoja de papel sobre la mano, y gastar un solo kilogramo de xenón puede llevar cuatro días o más [1]. Ojo: esa comparación es del motor de Deep Space 1; otros motores iónicos tienen otra fuerza.
Entonces, ¿para qué sirve un empuje tan flojo? La respuesta no está en la fuerza, sino en cuánto combustible se gasta para conseguir el mismo cambio de velocidad.
2. Cómo un empuje diminuto, mantenido durante años, ahorra combustible
Como el gas sale tan rápido, cada gramo de xenón "rinde" mucho más que un gramo de combustible químico. Según la NASA, un motor iónico como el de Deep Space 1 necesita más o menos una décima parte del combustible de un sistema químico para hacer el mismo trabajo [1]. A cambio, hay que dejarlo encendido mucho tiempo: la sonda gana velocidad poco a poco, como un velero que nunca deja de recibir un viento suave.
Un ejemplo de lo largo que puede ser ese "mucho tiempo": un motor iónico de prueba de la NASA, llamado NEXT y con 7 kilovatios de potencia, había funcionado más de 43 000 horas (casi cinco años seguidos) en diciembre de 2012. En ese tiempo procesó más de 770 kg de xenón y acumuló unos 30 millones de newton-segundo de impulso total [2].
Y un ejemplo de lo que se consigue con esa paciencia es la sonda Dawn. Se lanzó el 27 de septiembre de 2007, orbitó el asteroide Vesta del 15 de julio de 2011 al 4 de septiembre de 2012 y llegó al planeta enano Ceres el 6 de marzo de 2015. Según el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, fue la única nave capaz de orbitar dos destinos extraterrestres, y fue la propulsión iónica la que lo hizo posible [3].
Hasta aquí todo suena a ventaja. Pero este tipo de motor tiene un talón de Aquiles que no está en el gas.
3. Por qué lejos del Sol los paneles solares no dan suficiente electricidad
El motor iónico es eléctrico: sin electricidad, no empuja. Muchas sondas que necesitan mucha electricidad cerca del Sol usan paneles solares. El problema es que la luz del Sol se debilita muy rápido con la distancia. Según el JPL, los paneles de la sonda Juno, que estudia Júpiter, darían unos 14 kilovatios cerca de la Tierra, pero en Júpiter producen unos 500 vatios [4]. Es alrededor del 3,6 % (500 ÷ 14 000), unas 28 veces menos.
La causa es geométrica. La luz se reparte sobre una superficie cada vez mayor: al doble de distancia llega la cuarta parte; al triple, la novena. Se puede hacer paneles más grandes, pero son más pesados, más difíciles de lanzar y de manejar, y cuanto más lejos se va, más hay que agrandarlos.
Así que la idea es llevar la fuente de electricidad en la propia sonda, una que no dependa de la luz. La NASA llama a esto propulsión nuclear eléctrica: un reactor produce electricidad y esa electricidad alimenta los motores. Dice que permite transportar masa con eficiencia en el espacio profundo y misiones de mucha potencia más allá de Júpiter, donde los paneles solares no sirven [5].
4. De un proyecto cancelado a la sonda SR-1 Freedom: ¿cuánto se ha avanzado?
La idea no es nueva. En 2002 la NASA empezó el proyecto JIMO, un orbitador con reactor y motores eléctricos potentes para visitar las lunas heladas de Júpiter. Se canceló en 2005, tras gastar 463 millones de dólares, y no se construyó ninguna pieza. El analista Dwayne Day cuenta que el entonces administrador de la NASA, Michael Griffin, lo consideró demasiado ambicioso y poco definido [6].
Hoy el intento en marcha es Space Reactor-1 Freedom (SR-1 Freedom). La NASA lo describe como la primera nave interplanetaria impulsada por fisión nuclear y apunta a un lanzamiento a finales de 2028. Su reactor entrega 20 kilovatios de electricidad, que se obtienen con un ciclo cerrado de tipo Brayton (calor que mueve una turbina), y alimenta un motor de efecto Hall de 12 kilovatios [7]. Para comparar: 20 kW son unas 40 veces los 500 W de Juno en Júpiter, aunque no son condiciones iguales, porque los 14 kW de Juno son los de la Tierra.
La misión pasará cerca de Marte y soltará allí tres helicópteros del tipo de Ingenuity (el helicóptero de Marte de la NASA), el proyecto llamado SkyFall [7]. World Nuclear News, citando el anuncio de la NASA, indica que el viaje a Marte durará aproximadamente un año [5]. Atención: todo esto es un plan. Las fechas pueden cambiar, y por eso conviene mirar la página oficial de la misión.
El objetivo es probar en el espacio, por primera vez, todo el conjunto: reactor, electricidad y propulsión eléctrica funcionando juntos.
5. ¿Es seguro llevar un reactor? Lo que dice la NASA sobre el encendido
Un reactor nuclear a bordo suena inquietante, y es normal preguntarse por la seguridad. Steven Sinacore, quien supervisará la misión, dijo a la cadena CNN, según cuenta World Nuclear News: "En última instancia, es seguro. En tierra, el reactor está apagado", y que no se enciende hasta estar la nave en el espacio [5]. Esa es la explicación de diseño que da la NASA; cómo se comprobará todo en la práctica es otra cuestión que no cubrimos aquí. La propia agencia reconoce que tendrá que explicar bien estos temas al público.
Resumiendo la cadena: un motor iónico empuja poco pero ahorra combustible; necesita mucha electricidad; lejos del Sol los paneles no alcanzan; por eso se plantea un reactor, y SR-1 Freedom está previsto como la primera prueba real. Lo que aún no sabemos es cuánto tiempo funcionará de manera estable en el espacio. Esa respuesta llegará cuando se lance.
6. Cómo comprobar estas ideas en casa y cómo seguir la misión
Para sentir el empuje: pon una hoja de papel en la palma de la mano. Esa sensación es la que da la NASA como referencia del motor de Deep Space 1 [1].
Para ver cómo se debilita la luz: en una habitación oscura, apunta una linterna a una pared blanca, primero a 1 metro y luego a 2 metros, y compara el brillo. Se nota que a más distancia hay menos luz. No es un experimento exacto, porque también cambia el tamaño de la zona iluminada. Nunca apuntes la linterna a la cara de nadie.
Para seguir la historia: busca con una persona adulta la página "Space Reactor-1 Freedom" de la NASA [7] y comprueba si la fecha de lanzamiento ha cambiado. Si quieres comparar con una misión real de motor iónico, mira la de Dawn [3].