Más allá de la órbita de Neptuno, muy lejos de la región interior del sistema solar donde se encuentra la Tierra, existe lo que se conoce como “espacio interestelar”. Esta es una región donde la influencia de nuestro Sol ha dejado de ser relevante, predominando la oscuridad del espacio profundo, lejos de cualquier fuente luminosa de algún tamaño considerable. A esta distancia, a simple vista, el Sol luciría sólo como un punto luminoso entre los miles y miles poblando toda la bóveda celeste.
La única indicación de la relativa cercanía del Sol, en comparación a otras estrellas cercanas, es la existencia de la heliopausa; una zona invisible a simple vista, y que de acuerdo a modelos teóricos es donde se acumulan los últimos iones que proceden del viento solar, y cuya presencia anuncia que nuestro sistema solar ha comenzado a quedar atrás. Hoy sabemos que la heliopausa realmente existe gracias a la sonda Voyager I, la cual ha medido y atravesado esta zona encontrándose cada día más lejos de nosotros. Este vehículo espacial fue lanzado al espacio en el año 1977 y logró adentrarse más allá de los límites del sistema solar en el año 2012 después de cerca de 33 años de viaje.
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Al momento de diseñar estos vehículos para la exploración del espacio, los científicos e ingenieros a cargo del proyecto, sabían que para que las sondas Voyager (Voyager I y Voyager II, ambas lanzadas el mismo año) cumplieran con sus principales objetivos científicos, deberían de mantenerse funcionando el mayor tiempo posible, en una trayectoria que las alejaría cada vez más de nuestro planeta. Todos los instrumentos a bordo de una sonda espacial necesitan electricidad para funcionar, comenzando por el sistema de radiocomunicación con el centro de control en la Tierra. Así que encontrar una fuente confiable y duradera para obtener esta electricidad se convierte en una prioridad en cualquier proyecto de este tipo.
Comúnmente los artefactos lanzados al espacio en órbita baja recurren a los paneles fotovoltaicos, como en el caso de los satélites de telecomunicaciones o la estación espacial internacional. Sin embargo, en la oscuridad del espacio profundo, el Sol no iluminaría ningún vehículo con mayor intensidad que la de una estrella lejana. Así que se hacía necesario utilizar una fuente de energía eléctrica distinta al Sol y que fuera capaz de mantener funcionando a las sondas espaciales por muchos años, lo cual garantizaría que cumplirían con su misión inicial de explorar las regiones más lejanas de nuestro sistema solar.
Afortunadamente esta fuente de energía eléctrica confiable y de larga duración existe y ha sido ampliamente utilizada en vehículos como las sondas Voyager, las cuales hubieran dejado de funcionar desde hace ya muchos años si no fuera por sus generadores RTG. De hecho, actualmente estas siguen enviando una importante cantidad de información a la Tierra utilizando los siguientes instrumentos: un magnetómetro, un detector de rayos cósmicos, un detector de ondas de plasma y un detector de partículas cargadas. Es importante mencionar que la sonda cuenta con más instrumentos y sistemas, sin embargo estos han sido deshabilitados o cumplido con su vida útil.
La electricidad necesaria para el funcionamiento de estos vehículos ha sido posible generarla gracias a un fenómeno físico llamado Efecto Seebeck ó Termoeléctrico. Este fenómeno fue descubierto a principios del siglo XIX por el científico alemán Thomas Johann Seebeck durante sus experimentos con agujas magnetizadas y uniones de dos metales a distintas temperaturas. Estas uniones de metales las podemos imaginar como una barra fabricada con un tipo de metal en un extremo y otro distinto en el extremo opuesto. Lo que hacía Seebeck es que calentaba con un mechero un extremo de la barra, dejando el otro a temperatura ambiente. Lo que observaba es que si acercaba una brújula a la parte central de la barra, esta se desviaba. Es decir, la diferencia de temperatura entre los extremos ocasionaba que apareciera un campo magnético en torno a la barra. Tiempo después se le atribuiría este campo magnético a una corriente eléctrica generada por la difusión de portadores de carga desde el extremo a mayor temperatura de la barra hacia el extremo más frío.
A partir de sus observaciones Seebeck descubrió lo que ahora conocemos como Termoelectricidad. Esto implica que se puede producir una corriente eléctrica entre la unión de dos materiales (generalmente metales o semiconductores) siempre y cuando se mantengan cada uno a distintas temperaturas. Lo cual sugiere que si se logra mantener por algún medio un gradiente de temperatura adecuado, por un largo tiempo, en un arreglo de este tipo. Entonces se puede garantizar un suministro de electricidad confiable para distintas aplicaciones; entre otras, mantener funcionando una sonda interplanetaria por muchos años.
En la década de los 50’s del siglo pasado, en plena “era nuclear”, un par de científicos de los Laboratorios Mound en los Estados Unidos, inventó una manera de conjuntar la termoelectricidad y los radioisótopos en un artefacto para generar electricidad de manera continua y por largos periodos de tiempo. Es a partir de sus trabajos que se construyó el primer Generador Termoeléctrico de Radioisótopos (RTG por sus siglas en inglés), el cual se convertiría en la fuente de electricidad por excelencia utilizada en las sondas interplanetarias, y también en algunas aplicaciones terrestres. Este generador representa la conjunción en un artefacto del uso de la energía nuclear y el efecto Seebeck, el cual puede garantizar un suministro de electricidad por periodos de hasta 100 años. Siendo este un generador de electricidad en principio bastante simple y que incluso no cuenta con ninguna parte móvil.
La idea básica de su funcionamiento es la utilización de un elemento radiactivo, comúnmente Plutonio (Pu-238), el cual a partir de su desintegración radiactiva se calentará, alcanzando una temperatura de equilibrio que será bastante más alta que la de su entorno, proporcionando así el gradiente de temperatura necesario para que un arreglo de termopares , nombre con el que se conoce a las uniones físicas de dos metales (Pt, Fe, Cu) o dos semiconductores (Ge, Si) para este tipo de aplicaciones, en contacto con la fuente de calor en uno de sus extremos, proporcione electricidad de manera continua durante un largo periodo de tiempo. Este periodo estará determinado por la vida media del elemento radioactivo en uso, por ejemplo el Pu-238 tiene una vida media de 87.7 años, así como por la degradación natural de los termopares en uso.
En el caso de las sondas Voyager I y II el generador termoeléctrico usado fue el modelo MHW-RTG, el cual hace uso de 24 esferas de Pu-238 encapsuladas en un contenedor metálico y en contacto con 312 termopares fabricados con uniones de Silicio y Germanio. Su peso total es de 37.7 kg e inicialmente podía producir 157 W de energía eléctrica. Cada sonda utiliza tres de estos generadores, teniendo a su disposición una energía eléctrica total inicial de 470 W, esto al momento de su lanzamiento en el año de 1977.
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Actualmente, considerando una disminución en la energía generada de 0.787% por año, más las pérdidas por degradación de los termopares, se calcula que la energía generada en conjunto por los tres RTG es de 315 W. Este nivel de generación de energía garantiza que cada una de las sondas Voyager puedan seguir operando sus instrumentos todavía activos hasta por lo menos el año 2020.
Si bien los RTG poseen características muy interesantes, también se debe considerar que tienen algunas desventajas; como la necesidad de una disposición segura del material radiactivo una vez que ha terminado la vida útil del generador, y lo cual no siempre está asegurado. También es necesario que el generador cuente con un blindaje adecuado durante su funcionamiento para evitar la contaminación por radiación del entorno. Adicionalmente su utilidad es solo en aplicaciones de baja demanda energética, siendo hasta el momento imprácticos en aplicaciones de generación eléctrica residencial o industrial.
Omar Vargas Ferro
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