El rincón de la Ciencia I.S.S.N.: 1579-1149

nº 48 (enero-2008)

La energía nuclear: una forma de propulsión en aeronáutica (RC-113)


J.A. Martínez Pons


 

INTRODUCCIÓN

La tecnología aeronáutica, con poco más de 100 años de existencia ha evolucionado a ritmo solo comparable con la informática y hoy por hoy el avión tanto como elemento militar como de transporte civil, e incluso como medio deportivo, es imprescindible. El transporte aéreo ha dejado de ser un artículo de lujo para ser un bien de consumo Buscar pues aviones, más rápidos, más seguros, de menos consumo y menos contaminantes es un deseo general. Especialmente la aeronáutica ha revolucionado el transporte a media y gran distancia. Sin embargo los aviones se mueven gracias a potentes motores que invariablemente queman combustibles derivados del petróleo. Evidentemente, existen excepciones como el caza alemán DM-1 que por falta de otros combustibles se proyectó para quemar carbón, pero que, de llevarse de nuevo a la práctica, no sería muy respetuoso con el medio. También existen prototipos de aviones impulsados por motores eléctricos y energía solar, pero no pasa de ser diseños experimentales y de unas muy limitadas prestaciones. En este sentido casi desde los primeros tiempos de la utilización de la energía nuclear para fines distintos alas bombas se planteó posibilidad y viabilidad de una aeronave impulsada por energía nuclear.

Lippish DM- 1 Proyecto de caza alemán de la II Guerra mundial, impulsado por un estatoreactor que podía quemar polvo de carbón. Solo voló un planeador de ensayo. Estaba proyectado para alcanzar los 1.640 km /h

Fotografías del planeador de pruebas

Las ventajas que plantea una aeronave de este tipo son fundamentalmente su independencia del petróleo, su baja necesidad de repostaje de combustible y su no emisión de gases de efecto invernadero, por lo menos en su fase de operación.

Sus inconvenientes el elevado volumen y peso del reactor y sus blindajes y la posibilidad de contaminación radiactiva tanto en operación como en un posible accidente.

A finales de la década de los 40 la tecnología se estudió y se realizaron algunos prototipos, tanto en EE UU como en la Unión Soviética. Hoy el avión nuclear está descartado pero ¿Es seguro que no volverá a resucitar? Nunca una tecnología debe darse por absolutamente descartada, aunque en un determinado momento las circunstancias no hagan rentable su aplicación, ya que estas circunstancias pueden cambar o la propia tecnología puede evolucionar superando las causas que en momento determinado la hacen inviable

En este trabajo se expondrá muy brevemente la historia del desarrollo de este tipo de vehículos.

EL MOTOR DE REACCIÓN

Desde que a principios del siglo XX se consiguió que un aparato “más pesado que el aire” levantara el vuelo se vio que este vehículo podía tener muchas aplicaciones militares, fundamentalmente observación y reconocimiento del campo enemigo y bombardeo de los ejércitos adversarios, además de transporte.

Los aviones de entonces estaban impulsados por hélices movidas por motores de explosión.

Avión de pasajeros de los años  20, se trata de un  bombardero Breguet XIV, trasformado en civil. Obsérvese el voluminoso motor de explosión y la hélice de madera que lo impulsa

El periodo entre guerras supuso un desarrollo en la construcción aeronáutica, con introducción de la construcción metálica, el ala monoplano en voladizo, sustancial aumento de la potencia de los motores, todo lo cual se tradujo en una mejora de las características y prestaciones de los aviones sin embargo el 27 de agosto de 1939 en Marienehe, pilotado por el Flugkäpitan Erich Wartsitz, hacía su primer vuelo oficial un revolucionario avión “sin hélices”, era el Heinkel He 178 impùlsado por un turborreactor HeS , diseñado por el Dr Hans Joachin Pabst von Oain. El avión alcanzó los 600 km/h.

Heinkel He 178 .

Primer avión que voló impulsado por un reactor

Lo más revolucionario del pequeño monoplano de Heinkel era precisamente este motor.

Varios pioneros, como Frank Withle en Gran Bretaña, Coanda en Rumania o el español Virgilio Leret,   investigaban un motor que se moviera aprovechando la ley de acción y reacción.

El  principio en que se basaba era muy simple, una flujo de aire penetraba por una gran tobera, era comprimido por un compresor  unos quemadores lo  calentaban  y el  aire salía  a gran velocidad  impulsando una turbina que  accionaba el compresor.

Al final de la segunda guerra mundial, la mayoría de contendientes  poseían reactores de combate, aunque sólo Alemania los empleó masivamente.

Messerschmitt Me 262. Primer caza operativo  movido por  turboreactores

Cuando empezó la guerra fría tanto los EE UU como la Unión Soviética se plantearon la necesidad de una fuerza aérea estratégica. El talón de Aquiles de muchos bombarderos era su radio de acción. Mejorar esta prestación era de crucial importancia, sin embargo los motores tradicionales consumen mucho combustible, de modo que un aumento de radio de acción implica transporte de una gran cantidad de combustible en detrimento de la carga útil del aeroplano.

LA ENERGÍA NUCLEAR

Por otra parte,  Otto Hahn, premio Nóbel de química en1944,   y sus colaboradores  Lise Meitner y  Fritz Strassmann había conseguido  una reacción nuclear en cadena sostenida.

Otto Hahn Lise Meitner

A finales de la  Guerra, un grupo de científicos y técnicos en EE UU habían conseguido  desarrollar y construir  la bomba nuclear de  fisión, empleada en las destrucciones de Hiroshima y Nagashaky. Pronto los soviéticos y los británicos dispusieron de esta tecnología.

Pero en paralelo se había  conseguido  controlar la reacción nuclear en cadena  a fin de obtener energía de forma controlada, que podría ser aplicable a usos pacíficos.

EN QUÉ CONSISTE UNA REACCIÓN NUCLEAR DE FISIÓN

Los núcleos de determinados elementos como el uranio o el plutonio, al ser bombardeados por  neutrones,  se rompen en   núcleos más ligeros y varios neutrones que, al  chocar con otros núcleos,  a su vez hace que esto se desintegren, con mayor desprendimiento de neutrones.

En la fisión de un núcleo  las masas de los productos de la reacción  suman ligeramente menos que la masa del núcleo antes de sufrir la fisión, a esta diferencia se la llama defecto de masa.

Esta masa no desaparece sino que se transforma en energía de acuerdo con la célebre ecuación de Einstein E = mc2   siendo E la energía desprendida, m la masa  desintegrada,  c la velocidad de  la luz en el vacío (Muy aproximadamente  300.000 km/s). Aunque el defecto de masa en una cantidad relativamente  pequeña, la energía que se desprende es enorme, de ahí que la fisión nuclear libere una energía tan grande.

Los neutrones por su parte se encargan de propagar la reacción, es decir de crear y mantener la reacción en cadena.

Si la reacción se produce de forma descontrolada, se tiene la bomba  nuclear, como las que detonaron en Hiroshima (de uranio ) o Nagasaky (de plutonio), sin embargo controlando el flujo de neutrones  mediante una sustancia  capaz de  retenerlos, moderador,  se tiene el reactor  nuclear,

En el reactor la energía es recogida mediante un fluido: sodio líquido, agua a presión y utilizada por ejemplo para calentar otro fluido que a  su vez  impulsa un dispositivo mecánico que produce electricidad, por ejemplo, o  impulsa un navío.

Los grandes problemas de los reactores nucleares son que  tanto durante su funcionamiento  como los residuos  que producen, son altamente contaminantes por las radiaciones que emiten, lo que significa que  estos  mecanismos deben  encerrarse en vasos o recipientes que protejan el entorno de esas radiaciones.

En las instalaciones en tierra no hay mayor problema, pero en  buques  o aviones los blindajes  necesarios son muy pesados. Incluso en los buques el peso no es tan crucial como puede serlo en un avión y de hecho la propulsión nuclear, desde que el 21 de enero de 1954 EE UU botó el Nautilus, primer submarino operativo movido por Energía nuclear, es  habitual, no solo en submarinos (EE UU, Gran Bretaña, Rusia, Francia  y China, por lo menos, los poseen), sino también en grandes buques militares de superficie como los portaviones americanos más modernos. Su aplicación al campo civil, sin embargo no ha sido  muy exitosa.

USS Nautilus, primer submarino operacional de propulsión nuclear.

 

EL TURBORREACTOR NUCLEAR

Además del turbo reactor, también se han estudiado estatorreactores y pulsorreactores (modelo clásico es el que impulsaba la bomba volante V-1) en los que el gas impulsor, aire,  es comprimido debido a la velocidad del avión y cohetes, independientes del aire. No los trataremos  en este trabajo, aunque  ha habido ensayos de modelo impulsados por energía nuclear.

Volviendo al  turbo reactor, como se ha dicho antes, su principio físico fundamental es que una masa de  gases, comprimida por un compresor se sobrecalienta, se expande e impulsa una turbina que acciona el compresor a la par que es lanzado hacia atrás. El turborreactor nuclear no difiere sustancialmente del reactor clásico salvo que el aire comprimido no se calienta por unos quemadores que queman  keroseno sino que es un reactor nuclear el encargado de  producir este calentamiento.

Existen dos tipos fundamentales de reactores, los de ciclo directo y los de ciclo indirecto.

En el reactor de flujo directo el aire comprimido por el compresor es forzado a  circular por el núcleo del reactor donde se calienta y  pasa por la turbina.

Esquema de un reactor de flujo directo. El aire pasa directamente al reactor nuclear. Los gases de escape salen muy contaminados de radiactividad

 

Esquema de un reactor de flujo  indirecto. Los gases que  impulsan el reactor son calentados a través de un fluido de intercambio

EXPERIENCIAS EN EE UU

La idea de  aplicar la propulsión nuclear a la aeronáutica surgió desde los principios de la era nuclear. Al parecer  Enrico Fermi (1901-1954), Nóbel de Física en 1938, empezó a estudiar  su viabilidad en 1942 y en 1946: El departamento de física aplicada de la universidad John Hopkins  realizó un estudio sobre la  los problemas potenciales de esta aplicación. Este mismo año aparece el proyecto NEPA (Nuclear Energy for the  Propulsión of Aircraft) controlado por la fuerza aérea norteamericana para dotarse de un bombardero de gran radio de acción propulsado por energía nuclear. El proyecto se desarrolló de 1946 a 1951, en que se incorporó la Atomic Energy Comisión, pasando a denominarse  ANP (Aircraft Nuclear Propulsión). Pese a múltiples dificultades, en el marco de este proyecto, dos importantes fabricantes de motores de aviación habían recibido sendos encargos.  A General Electric (GE) se le encargó un reactor de ciclo directo, mientras que Pratt and Whitney recibía el encargo del proyecto de reactor de ciclo  indirecto. La primera arguyó que el motor de ciclo directo era más sencillo, mientras que P&W desarrollo un reactor supercrítico refrigerado por agua a presión a 816 ºC y 3,5´ 10/ Pa, que evitaba el uso de metales líquidos.

El principal problema eran los blindajes cuya masa era excesiva,  se propuso la idea Shadow Sheldig, una estructura que hacía que la tripulación quedaba en la zona de sombra del  reactor nuclear pero el resto del avión  recibía altas dosis de radiación. La aparición de nuevos materiales redujo el problema. Otro era el tamaño del  reactor que  hubo que reducir  para situarlo  en un avión. GE por su parte  desarrollo tres reactores  experimentales de la serie HTRE, el HTR2 se acopló con éxito a un reactor J-47  modificado y el HTRE-3 estaba muy próximo a un reactor operativo. P&W iba más lenta y al final acabó en  un reactor de metal líquido, antes los problemas del reactor de  agua a presión.

Por otra parte,  en 1951 se encargó a los fabricantes  aeronáuticos  Convair y Lockeed el estudio de aviones portadores. Convair debía convertir un bombardero B-36 en banco de ensayos  volante mientras que  debía estudiar la posibilidad   real de un bombardero de más de 15.000 m de techo velocidad  comprendida entre Mach 0,85  y 1,3, capaz de trasportar 5400 kg de bombas.

El número de Mach, en referencia al fisco Erns Mach es la relación entre la velocidad del móvil y la del sonido en el medio que se propaga. 0, 85 Mach equivale pues a  un 85% de la velodicad del sonido en el aire.

El B-36 Pacemaker era un  gigantesco  avión  con seis motores  de pistón, que más tarde se reforzarían con cuatro reactores. A este avión se le colocaría  un reactor de  metal líquido acoplado a turborreactores  GE J-53. El  avión experimental se designo como X-6.

Independientemente  la mayoría de fabricantes  norteamericanos de aviones estudiaban sus propios prototipos.

Los trabajos sobre el  avión de pruebas  proseguían. Al ir  mucho mas adelantado el  sistema de GE, se optó por este. El reactor nuclear se vsituaría en el  fuselaje y para los reactores  la idea mejor consistiría en situar cuatro reactores movidos por energía nuclear en paralelo bajo  el fuselaje del avión, mientras se mantendría los propulsores clásicos. El avión despegaría y aterrizaría  impulsado por los  motores convencionales, mientras los nucleares se mantendrían al ralentí, con keroseno. A la altura operacional se pondría en marcha el sistema nuclear de forma progresiva.

Mientras se   estudiaba la propulsión, se empezó a modificar el  B-36 número de serie 51-5712 , que pasó a ser  el Nuclear Test Aircraft -36  en código NB-36H, que  fue bautizado como Crusader.

La principal modificación que sufrió, además de la perdida de el equipo militar, se refirió a la parte  del morro  que debía acomodar una  cabina compacta para la tripulación, adecuadamente protegida que alcanzaría  una masa de unas 12 toneladas.

NB-36. Obsérvese el enorme tamaño del avión y los 10 motores, seis de pistón , con hélices propulsoras y  4 reactores que lo impulsan. Véase como en la cola porta el logotipo de peligro  de radiación nuclear.

 

El reactor nuclear debía situarse en un contenedor de 31 m de largo y 3,6 de diámetro, situado justo detrás del centro de masas de la aeronave. Las paredes del avión recibirían una protección suplementaria de polietileno. Delante llevaría un blindaje de 2,03 m de diámetro y 30 cm de espesor, combinado con otro situado detrás del  habitáculo y a  9 m del reactor, lo que debía  limitar la radación en cabina a  0,25 Roentgen/hora aceptable para aquellas fechas. El conjunto completo de propulsión recibió el  nombre de P-1. Sin embargo las dificultades  continuaban, incluso en la selección de los turborreactores. En 1953, cambió la administración y los consejeros militares, decidieron que el avión nuclear carecía de valor militar, pero Convair siguió experimentando, llegando a instalar  un reactor de  1 Mwatt en la bodega del avión, este reactor  pesaba 15.845 kg y podía retirarse después de cada vuelo.

Roentgen ( R )Unidad de exposición, magnitud física que caracteriza la  ionización  que produce  en el área una radiación y cuya equivalencia es  1 R = 2,58·10-4 curie/kg y  1 curie = 3,7.1010 desintegraciones /s

El NB-36 H realizó un total de 47 vuelos de prueba.

Otros fabricantes  a su vez realizaron estudios  y  ofrecieron  diferentes propuestas. También se extendió la idea a  misiles de crucero, sin embargo al final de los 60 y después de  gastar más de 470 millones de dólares  la idea del avión de propulsión nuclear quedó abandonada.

EXPERIENCIAS EN LA UNIÓN SOVIÉTICA

Los soviéticos que contaban con brillantes diseñadores aeronáuticos, como Tupolev, Antonov o Myasishchev, también pensaron en incluir en su panoplia aviones de este tipo. En Marzo de 1956 el Consejo de ministros asignó a Tupolev la tarea de desarrollar un banco de pruebas. La decisión soviética desde el primer momento fue  el ciclo directo y como los americanos partieron de un avión existente como banco de prueba, concretamente el Tupolev Tu- 95 (Bear en  el código Nato) retrataba de un gran bombardero de ala en flecha propulsado por cuatro motores turbohélice (la propulsión se consigue gracias a una hélice engranada al árbol   del compresor). Pero los estudios venían de antes, por ejemplo, Myasishchev estudió un bombardeo y un hidroavión nucleares (M-60 y M-60-1). Volviendo al Tu 95-LAL, recibió un  reactor y en 1958 realizó varias pruebas  en el suelo, en las que el  reactor alcanzo plena potencia. Entre mayo y agosto de 1961 realizó 34 vuelos de prueba, la mayoría con el reactor apagado. La protección de la tripulación estaba constituida por escudos de sodio líquido, oxido de berilio, acero y parafina no tan sofisticados como los sistemas americanos pero se comprobó que el nivel de radiaciones era aceptable. Al Tu 95-LAL siguió el avión 119,  esta vez dotado de un sistema de flujo indirecto que impulsaba los dos motores internos NK 14, dotados de intercambiador. Los dos motores exteriores eran NK 12 M  normales.  Este avión no pasó de proyecto, como  tampoco pasaron de proyecto el avión 120 y el avión 132, concebido como avión de ataque al suelo. Respecto al M-60  de Myasishchev , el primer diseño era un esbelto avión con dos reactores  a los lados del fuselaje, alimentados por un  reactor nuclear en ciclo directo y con la tripulación en el centro, y ala trapezoidal, que después paso a  ala delta con  4 reactores en  la parte trasera del fuselaje  y evolucionó al M-62, pero ninguno de estos diseños pasó del tablero de dibujo. En los años 70 cesaron las investigaciones soviéticas.

Tu 95 Bear. Obsérvense los poderosos  turbohélices que impulsan sendos pares de hélices contrarrotorias

Características generales del Convair  B-36

Longitud: 49,40 m  ;Envergadura: 70,10 m  ;Altura: 14,22; Superficie alar: 443 m²  ;Masas: vacío: 77.580 kg ; máximo al despegue: 185.973 kg   Potencia : 4 Turboreactores GE J47-GE-19, de 2.359 kN (5.200 libras) de empuje cada uno. Y  6 motores radiales enfriado Velocidad máxima operativa (Vno): 707 km/h (439 mph) Autonomía de combate: ~ 5.500 km  Alcance en traslado: 12.900 k Techo de servicio:   14.600 m Velocidad ascensional:  9,75 m/s  

Caracteristicas generales del Tupolev  Tu-95MS

Longitud 49,13m ; Envergadura  50,04m , Altura  13,30m   Superficie alar    289,9 m2  Potencia :  4 motores turbohélice  de 11.035 kW (14,795 hp) KKBM Kuznetsov NK-1 2MV   impusasno  pares de hélices contrarrotatorias

Velocidad máxima  a 8.000 m  925km/h , al nivel del mar  650km/h  , crucero  710km/h . techo 13.000 m . Radio de acción con  11,340kg   6400km  . Masas  - Vacío  120,000kg , máxima al despegue  187,000kg  .

Velocidad máxima  a 8.000 m  925km/h , al nivel del mar  650km/h  , crucero  710km/h . techo 13.000 m . Radio de acción con  11.340kg   de carga 6400km  . Masas  - Vacío  120.000kg , máxima al despegue  187.000kg  .

FUTURO.

Como se ha dicho al principio, ninguna tecnología debe darse por definitivamente descartada. Por ejemplo, el diario “El Mundo” de  21/02/2003 publicaba que EE UU estaban considerando de nuevo la posibilidad de un avión nuclear que podría “estar volando durante meses “sin necesidad de repostar, y la propulsión por cohetes nucleares  puede ser la solución para viajes  interplanetarios o hiperatmosféricos.
 

FUENTES

Revista El Aeroplano. Nº 20 . Año 2002.

Diccionario Rioduero “Forjadores de la Ciencia”. Madrid 1993

http://es.wikipedia.org/wiki/Convair_B-36_Peacemaker

http://es.wikipedia.org/wiki/Convair_X-6

http://www.seelowe.4thperrus.com/tecnicos/Soviet_Nuclear_Powered_Bombers.pdf

http://www.elmundo.es/papel/2003/02/21/ciencia/1341540.html

http://teleobjetivo.org/blog/el-bombardero-impulsado-por-energia-atomica.html

http://www.motoradictos.com/2007/07/14-ford-nucleon-el-coche-nuclear

http://www.luft46.com/

http://www.foronuclear.org/