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Fig. 1. Este es el RTG utilizado en la sonda Cassini de la NASA.[1]

Generadores termoeléctricos de radioisótopos, también llamados RTG (iniciales de su nombre en inglés Radioisotope Thermoelectric Generator) son los sistemas de producción de energía que se utilizan con mayor frecuencia en viajes espaciales de larga distancia y áreas remotas de la Tierra. Producen electricidad por el calor emitido por los isótopos radiactivos en descomposición. Los RTG son más famosos por su uso en la sonda Cassini de la NASA, las sondas Voyager, New Horizons[2] y el rover Curiosity.[3] Vea más abajo para los modelos tridimensionales.

Componentes

Los RTG se pueden dividir en tres componentes críticos; el isótopo radiactivo, los termopares y el aislamiento térmico (véase Fig. 2).

El Isótopo

El isótopo radiactivo es fundamental para el diseño de las RTG. Esta fuente nuclear proporciona el calor a partir del cual el resto del diseño produce electricidad. La mayoría de los diseños utilizan plutonio-238, estroncio-90 o americio-241 para sus requerimientos de densidad de potencia, semivida y blindaje radiactivo. Debido a que las vidas medias de los isótopos se eligen estratégicamente, los RTG brindan energía por décadas. Por ejemplo, el plutonio-238, el isótopo más común y famoso utilizado en los RTG de la NASA, tiene una vida media de aproximadamente 90 años.[4] Cada isótopo tiene ventajas y desventajas, pero normalmente uno de estos tres isótopos se depositará en gránulos en el centro del RTG, donde luego pueden descomponerse e emitir calor a los componentes que los rodean.

Fig. 2. Los componentes de un RTG.[5]

El Par termoeléctrico

El termopar, descubierto en 1821 por Thomas Johann Seebeck[6], es un dispositivo que puede producir electricidad por diferencias en la temperatura circundante. Cuando dos metales diferentes están conectados y hay una diferencia de temperatura entre ellos, se produce un campo magnético. Este campo magnético se puede utilizar para producir una corriente, o flujo de electrones, un voltaje y potencia generada resultantes. Ésta es la base fundamental exacta que se utiliza en los termopares en un RTG. El calor residual producido por los isótopos en descomposición calentará un metal, mientras que la temperatura ambiente del RTG y el espacio profundo mantendrá frio el otro metal. Al igual que antes, estos metales se conectan y se produce la electricidad.

Regulación Térmica

El último componente principal de un RTG es el aislamiento térmico. Especialmente importante para las sondas de espacio profundo, el dispositivo debe poder mantener una cierta temperatura para mantener los electrónicos y las partes móviles funcionando correctamente. El RTG está cubierto con muchas capas de aislamiento y luego una cubierta exterior dura para proteger el funcionamiento crítico del dispositivo. Sin embargo, no se necesita todo el calor residual para mantener la nave espacial funcionando. Como tal, la mayoría de RTGs tienen aletas de radiador. La regulación de las temperaturas en un RTG es fundamental para su correcto funcionamiento y operación. Se necesitan principios de diseño específicos para esta tarea, y la mayor regulación de la temperatura se logra con las cubiertas y capas exteriores.

Ventajas

Se han desplegado RTG en sondas espaciales en todo el sistema solar. Los dos usos principales son misiones espaciales, principalmente donde los paneles solares serían ineficaces y en estaciones remotas no tripuladas. Los faros remotos en Rusia han hecho un uso extensivo de RTGs. La generación de energía convencional y el transporte hacia y desde estos lugares serían difíciles.

La mayoría de los diseños de RTG no tienen partes móviles, lo que permite una operación confiable a largo plazo.

Las principales diferencias entre los RTG y los reactores de fisión son el peso, la vida útil y la potencia generada. Los primeros reactores TOPAZ soviéticos en 1971 eran capaces de producir 5 kW de energía eléctrica durante 3-5 años y pesaban 320 kilogramos. Casi al mismo tiempo, un RTG de Systems for Nuclear Auxiliary Power-19 (SNAP-19) pesaba solo 14 kilogramos y tenía una potencia generada inicial de 40 vatios eléctricos.[7] Un conjunto de cuatro de ellos produjo suficiente energía para durar 30 años en Pioneer 10 y 22 años en Pioneer 11. Los satélites Voyager (lanzados en 1977) estaban equipados cada uno con tres MHW-RTG, proporcionándoles inicialmente 470 vatios inicialmente, con una vida útil prevista de aproximadamente 48 años (teniendo en cuenta que los satélites apagan los sistemas de manera de no tener cargas eléctricas mayores que el suministro), y cada uno pesa 37.7 kilogramos.[8] Actualmente, un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG, el RTG en el rover Curiosity) pesa 35.5 kilogramos y tiene una esperanza de vida de 14 años.[9]

Los RTG producen baja radiación de neutrones, beta y gamma en comparación con los reactores. Las emisiones de estas partículas causan problemas con los instrumentos de las sondas a menos que sus instrumentos estén protegidos de la radiación.

RTG Tridimensional

Explore los modelos tridimensionales a continuación para ver cómo se ve un RTG y cómo se emplean en diferentes misiones.

Fig. 3. Un modelo tridimensional de un RTG que podría usarse en misiones espaciales.

Sonda Cassini

La sonda Cassini fue una aplicación particularmente emocionante y exitosa de un RTG en una misión espacial. Cassini pasó 20 años en el espacio y tomó casi 500 000 fotos de Júpiter y sus lunas. Cassini abrió la puerta a una mayor comprensión del planeta más grande de nuestro sistema solar y allanó el camino para futuras misiones científicas y exploratorias.[10]

Fig. 4. Un modelo tridimensional de la misión Cassini. Tenga en cuenta los tres RTG diferentes en la parte inferior. Arrastre la imagen para verla desde diferentes ángulos.

New Horizons

La sonda New Horizons fue otra aplicación emocionante y exitosa de un RTG en una misión espacial. New Horizons se lanzó en 2006 para explorar los límites exteriores del sistema solar. Esto incluyo un sobrevuelo de Plutón en 2015 y un sobrevuelo de Ultima Thule en 2019. New Horizons no solo tomó fotografías de estos dos cuerpos, sino que también midió y continúa midiendo el viento solar, el polvo, las condiciones atmosféricas y los iones de alta energía, entre otros experimentos más pequeños.[11]

Fig. 5. Un modelo tridimensional de la sonda New Horizons.[12] Note el RTG en la parte inferior. Arrastre la imagen para verla desde diferentes ángulos. Para obtener más información sobre Plutón, consulte aquí.

Fig. 6. Un modelo tridimensional del rover Perseverance Mars.[13] Note que el RTG es blanco y en la 'cola' (a diferencia de los modelos anteriores). Arrastre la imagen para verla desde diferentes ángulos. Para obtener más información sobre esta misión, consulte aquí.


Ver Lecturas Adicionales

Los RTG son dispositivos de producción de baja potencia extremadamente útiles que han allanado el camino para una ciencia más distante y exploratoria. Los científicos continúan actualizando las especificaciones de diseño y con cada nueva generación de RTG, se vuelven más eficientes, poderosos y útiles. Para obtener más información, visite aquí

Referencias

  1. ↑ Wikimedia Commons. (May 17, 1997). RTG Radiation Measurement [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RTG_radiation_measurement.jpg
  2. ↑ JPL, Accessed online http://pluto.jhuapl.edu/Mission/Spacecraft/Systems-and-Components.php June 29th, 2020.
  3. ↑ NASA RPS Program. Radioisotope Power Systems [Online]. Available: https://rps.nasa.gov/ accessed June 29th, 2020.
  4. ↑ NASA RPS system available online: https://rps.nasa.gov/about-rps/about-plutonium-238/ accessed July 31st, 2020.
  5. ↑ Wikimedia Commons. (March 15, 2015). SiGe RTG [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SiGe_RTG.png
  6. ↑ Omega Engineering. (September 4, 2018). A Brief History of the Temperature Sensor. [Online]. https://www.omega.ca/en/resources/history-of-the-temperature-sensor
  7. ↑ Fusion Technology Institute.Comparison of USSR and US Fission Space Reactors [Online]. Available: http://fti.neep.wisc.edu/neep602/SPRING00/lecture35.pdf
  8. ↑ NASA. (December 14, 2017). The Pioneer Missions [Online]. Available: https://www.nasa.gov/centers/ames/missions/archive/pioneer.html
  9. ↑ NASA. (October 2013). Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. [Online]. Available: https://mars.nasa.gov/mars2020/files/mep/MMRTG_FactSheet_update_10-2-13.pdf
  10. ↑ NASA. (March 28, 2019). Cassini Available: https://solarsystem.nasa.gov/missions/cassini/overview/
  11. ↑ NASA. (August 3, 2017). New Horizons [Online]. Available: https://www.nasa.gov/mission_pages/newhorizons/main/index.html
  12. ↑ NASA, available https://solarsystem.nasa.gov/resources/2363/new-horizons-3d-model/ accessed July 29th, 2020.
  13. ↑ NASA, available https://mars.nasa.gov/resources/25042/mars-perseverance-rover-3d-model/accessed July 31st, 2020.
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