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Concurso Energía y Sociedad
Foro Nuclear Español |
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P R O
Y E C
T O
Diseño de un sistema de abastecimiento
energético a una colonia Lunar
Colegio Apóstol Santiago Curso 1º de Bachillerato
Jesuitas –
Vigo Enero 2001
ÍNDICE
1.
Introducción............................................................
pag. 3
2.
Geología lunar.
Emplazamiento...............................pag. 4
3.
Diseño del
reactor nuclear.........................................pag 5
4.
Logística y
transporte..............................................pag. 10
5.
Conclusiones
............................................................pag 12
6.
Bibliografía................................................................pag
12
7. Relación de componentes del
grupo de trabajo.........pag 13
8. Apéndice: Documentación anexa
1- Reacciones de fisión............................................pag
14
2- Sismología lunar..................…............................pag 14
3- Detección de hielo lunar......................................pag 15
1.- Introducción.
Objetivo
El creciente desarrollo de la investigación espacial
demanda cada día la realización de proyectos cada vez más ambiciosos, como la
puesta en marcha de la estación espacial internacional ISS o las misiones a
Marte. El objetivo de este trabajo es diseñar
un sistema de abastecimiento energético para una futura colonia lunar.
La primera cuestión que se nos plantea es el tipo de
energía a utilizar. Después de analizar todas las posibilidades sólo dos tipos
de energía serían viables: la energía
solar y la energía nuclear.
¿Porqué no usar otros tipos de energía?
No nos sería posible emplear otros tipos de energía
puesto que:
- En la Luna no hay viento - con ello desestimamos
la opción de la energía "eólica".
- Es muy costoso transportar cualquier tipo de
combustible fósil por tanto tampoco seria viable la energía térmica.
- La inexistencia de corrientes fluviales nos obliga
a desestimar la energía "hidráulica".
¿Cómo aprovechar la energía solar?
Es
fácil aprovechar este tipo de energía a
través de paneles solares fotovoltáicos que la captasen y la convirtieran en
energía útil para su posterior aprovechamiento.
¿Cómo aprovechar la energía nuclear?
Consistiría en construir una pequeña central nuclear
en la superficie de la Luna con la que podríamos producir la energía necesaria para el abastecimiento
de toda la colonia.
Para ello debemos transportar los materiales para su
construcción, así como los elementos combustibles necesarios para producir la
energía (véase Apéndice 1). El agua necesaria para refrigeración y moderación
podríamos obtenerla de los casquetes polares de la Luna. En los apartados
siguientes de este trabajo iremos desarrollando cada una de las partes de este
proyecto que hemos denominado Proyecto
SELENIA .
2.- Geología Lunar. Emplazamiento.
Tenemos que encontrar un lugar en la superficie de
la Luna que cumpla una serie de condiciones:
- Terreno suficientemente grande y llano para
albergar una base lunar .
- Baja actividad sísmica en la zona.
- Proximidad a las zonas lunares donde eventualmente
se encuentre el hielo.
Prospección
“selenológica”
Tras análisis exhaustivos de la topografía lunar en escala 1:1.000.000, llegamos a la conclusión que el cráter Platón, cuyas coordenadas son 55 ºN 10 ºW, y situado entre los mares de la Lluvia y del Frío; posee las características idoneas para la instalación de la base lunar en su interior. Al poseer un diámetro de unos 100 km y una superficie interior completamente plana, se adecua totalmente a nuestros requerimientos.
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La estación se instala en un cráter para disponer de una superficie estable sobre la que trabajar, además de la abundancia de metales y otros compuestos en dicho cráter. Como se puede comprobar en la imagen, se trata de una zona oscurecida donde no se recibe radiación solar en su interior, al contrario que en la periferia. La mayor concentración de agua en esta posición está más al norte, aunque también se sospecha de la existencia encuentra en zonas cercanas en la vertiente norte del cráter. |
Sismología lunar
- El estudio de
la sismología lunar nos indica que lel emplazamiento elegido no presenta
riesgos de actividad sísmica con
capacidad destructora. (véase Apéndice 2)
Presencia de hielo
El "Lunar Prospector" ha
utilizado un espectrómetro de neutrones para analizar la composición del suelo,
incluyendo la detección de hidrógeno.
Se estima que puede existir un
total de unos seis mil millones de toneladas de hielo en los dos polos (6 x 109
t) . La cantidad estimada de hielo es, por tanto, más de diez veces superior a
lo que se estimaba antes.
La intensidad de la señal en el
polo norte es un 15 % más intensa, por lo que se supone que las cantidades de
hielo son algo superiores ahí que en el polo sur.
Una parte al menos del hielo está
hundido en el subsuelo, bajo una capa de hasta 40 centímetros de roca y tierra
seca.
El hielo puede aprovecharse para
el suministro de agua como refrigerante y moderador de nuestro reactor nuclear.
El agua líquida puede emplearse en un segundo momento para, por vía
electrolítica, suministrar hidrógeno
como combustible para los cohetes remolcadores, así como el insustituible
oxigeno tan necesario para el desarrollo vital. Mas información en el Apéndice
3.
3.- Diseño del
reactor.
Como
queda dicho en la introducción, la necesidad prioritaria de una colonia humana
en la Luna es la energía. Cómo conseguirla es lo que nos atañe y la solución
que proponemos, tal y como venimos diciendo en capítulos anteriores es el uso
de la energía nuclear ,esta energía se obtendrá por medio de la reacción de
fisión que se efectuará en el interior del núcleo del reactor que hemos dado en
llamar Selenia, un reactor de agua a presión, de 150 MW de potencia
eléctrica.
En la tabla siguiente se recogen lo datos térmicos e
hidráulicos del reactor previamente calculados y cuyo desarrollo omitimos por
razones de brevedad .
Datos térmicos e hidráulicos |
|||
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Potencia térmica total (inicial) |
1411,665 kJ/h |
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|
337,719 kcal/h |
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|
392 MW |
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Circulación del refrigerante
|
Caudal
en el núcleo |
1,542·107 kg/h |
|
|
Sección
normal de circulación en el núcleo |
1,431 m2 |
||
|
Velocidad
de circulación entre barras |
4,267 m/s |
||
|
Presión |
Presión
de funcionamiento (normal) |
136,100 atm |
|
|
13790,333 kPa |
|||
|
Presión
de proyecto |
170,120 atm |
||
|
17237,409 kPa |
|||
|
Caída
de presión a través de la vasija del reactor |
2,310 atm |
||
|
234,061 kPa |
|||
|
Caída
de presión a través del núcleo del reactor |
1,100 atm |
||
|
111,458 kPa |
|||
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Transmisión de calor |
Superficie
de transmisión de calor |
1439,997 m2 |
|
|
Flujo
calorífico medio |
980,069 kJ h-1 m-2 |
||
|
234,466 kcal h-1 m-2 |
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Flujo
calorífico máximo |
5065,014 kJ h-1 m-2 |
||
|
1211,726 kcal h-1 m-2 |
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|
Coeficiente
de transmisión de calor (valor medio) |
123,673
kJ h-1 m -2 K-1 |
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Temperatura |
Refrigerante
en el núcleo (valor medio) |
542 K (269 ºC) |
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|
Refrigerante
a la entrada de la vasija |
533 K
(260 ºC) |
||
|
Ascenso
del refrigerante en el núcleo (promedio) |
18,33
K (18,33 ºC) |
||
|
Caída
a través de la película (promedio) |
7,94
K (7,94 ºC) |
||
|
Superficie
de la vaina (máximo) |
624 K
(351 ºC) |
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|
Interior
del combustible (máximo) |
2661
K (2388 ºC) |
||
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Salida
del canal caliente |
590 K
(317 ºC) |
||
Vapor
|
Temperatura |
519 K
(246 ºC) |
|
|
Presión |
35,724
atm |
||
|
3619,734
kPa |
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Proyecto nuclear
El establecimiento de
la configuración definitiva del núcleo de un reactor es un proceso reiterativo,
que supone una solución de compromiso entre parámetros térmicos y nucleares.
Admitiremos, por sencillez, que el número de barras de combustible necesario
viene determinado por el valor máximo permisible del flujo calorífico. Teniendo
en cuenta que el núcleo del reactor debe tener una relación de longitud a
diámetro razonable (1,2 en el caso de nuestro reactor), su configuración puede
basarse exclusivamente en consideraciones de transmisión de calor. Los
resultados deben satisfacer las condiciones de reactividad, condiciones en las
que el grado de enriquecimiento constituye una variable.
Para las condiciones
de funcionamiento establecidas, se calcula que el flujo calorífico máximo debe
ser del orden de 5056,787 kJ h-1 m-2 (1209,758 kcal h-1 m-2),
algo menos del 50 % del valor estimado para quemado destructivo, aproximadamente
igual a 11338,1 kJ h-1 m-2
(2712,5 kcal h-1 m-2). Con el fin de tener en cuenta
desviaciones locales respecto al comportamiento medio, se reduce el flujo
máximo mediante el llamado factor "de canal caliente". En el presente
caso, dicho factor vale 5,17; consecuentemente, el flujo calorífico medio viene
a ser igual a 978,477 kJ h-1 m-2 (234,085 kcal h-1
m-2). La potencia térmica
inicial del reactor es de 392 MW, equivalente a 337,719 kcal/h, así que la
superficie total de los elementos combustibles debe ser igual a:
La longitud de la
barra de combustible es de 2,286 m, y como el diámetro exterior es de 8,636 mm,
resulta para cada barra una superficie de 622,45 cm2, por tanto:
Proyecto Preliminar
del Reactor
El número de barras que contendrá el reactor será de
23000. Las barras se dispondrán en subconjuntos rígidos, y nueve de estos
subconjuntos, perfectamente trabados, formarán un conjunto completo de
elementos combustibles. El módulo básico de cada uno de los subconjuntos será
de 6 x 6, pero el número total de barras por conjunto completo no llegará a 9 x
6 x 6 = 324, puesto que habrá que dejar espacios libres para las barras de
control cruciformes. Así pues, habrá 76 conjuntos de elementos combustibles, la
mitad de los cuales contendrán 304 barras cada uno y la otra mitad 305 barras.
El paso o espaciado entre barras de combustible,
correspondiente a la relación agua/uranio de 3,0 a 1, será de 1,07 cm. La celda
unitaria de barra combustible más moderador tendrá, por consiguiente, una
sección de 1,15 cm2. Teniendo en cuenta la sección normal de cada
subconjunto, así como el espacio necesario para la barra de control, obtenemos
la sección total para el conjunto de elementos combustibles. Como el núcleo del
reactor contendrá 76 conjuntos de este tipo, la sección recta total viene a ser
de 28.292 cm2, a la que corresponderá un diámetro del cilindro
equivalente de 188,5 cm.
Podrá ahora utilizarse el método aproximado para
redes uranio-agua, con el fin de comprobar que las especificaciones dadas
anteriormente conducen, en realidad, al factor de multiplicación efectivo que
se considera necesario. Es suficiente indicar ahora que, utilizando las
dimensiones citadas para calcular la laplaciana del reactor, se llega a un
factor de multiplicación efectivo para el conjunto de 1,18, en satisfactoria
concordancia con los cálculos más precisos, que conducen a una reactividad en
exceso del 20 %.
La reactividad en exceso a la temperatura de
funcionamiento del moderador (542 K o bien 269 ºC) puede determinarse
utilizando constantes nucleares corregidas a dicha temperatura. Se encuentra
así, que el factor de multiplicación efectivo a 542 K, es igual a 1,13
deduciéndose de aquí el valor medio, aproximado, del coeficiente de temperatura
isotérmico. Un coeficiente de temperatura adicional proviene del efecto Doppler
de potencia. Se estima que este efecto reduce la reactividad en 0,025, cuando
el reactor pasa de potencia cero, a 542 K, condición a la que corresponde kef
= 1,13 a la potencia máxima a dicha temperatura, sin venenos en ambos casos. A
esta última condición corresponde, pues, kef = 1,105.
Finalmente, hay que considerar el envenenamiento por
xenón y samario durante el funcionamiento del reactor. El flujo medio de
neutrones térmicos en el reactor presenta un valor de 2 x 1013
neutrones cm-2 s-1, y, por tanto, el margen para
envenenamiento será del orden de 0,032. (Los valores del factor de
multiplicación efectivo correspondientes a diversas condiciones del núcleo del
reactor se indican en la tabla, con todas las barras de control retiradas). El
grado medio de quemado de 8000 MWdía por tonelada representa un tiempo de
funcionamiento total de 10000 horas, a un nivel de potencia inicial de 392 MW
térmicos. El cálculo de la reactividad en exceso, necesaria para compensar las
pérdidas que tendrán lugar durante este período, conducen a un valor aproximado
del 7 %.
Condición
|
kef |
|
Frío y limpio |
1,20 |
|
Caliente y limpio y potencia cero |
1,13 |
|
Caliente y limpio y potencia máxima |
1,105 |
|
Caliente, vida inicial, potencia máxima,
equilibrio de xenón y samario |
1,073 |
Factores
de multiplicación efectivos del Reactor Selenia
Barras de Control
Las barras de control, juntamente con el veneno
consumible, deberán ser suficientes para compensar el 20 % de reactividad en
exceso, más un margen para la parada, de que dispondrá el reactor frío y
limpio. Hay que contar además, con la condición de seguridad, exigida a todos
los sistemas de reactores, de que la retirada completa de una sola barra de
control no lleve al reactor al estado crítico. Esto significa que la parada del
reactor sigue siendo posible, aún cuando una de las barras se haya agotado por
completo. Al examinar el proyecto del sistema de control de un reactor moderado
por agua ordinaria, es preciso recordar que la zona de influencia efectiva de
una barra de control se extiende a una distancia igual, más o menos, a la
longitud de difusión de los neutrones en el núcleo del reactor. En los
reactores de agua a presión, L es del orden de 2 cm, o acaso menos, de suerte
que es preciso distribuir numerosas barras de control por todo el núcleo del
reactor.
Dada la conveniencia de reducir a un mínimo las
variaciones de flujo neutrónico, así como
la de conservar la red cuadrada, regular, de
elementos combustibles, son muchos los reactores moderados por agua que
utilizan para su control elementos absorbentes de tipo cruciforme. Nuestro
reactor dispondrá de barras de este tipo.
Criterios de
Blindaje
Naturalmente, es imprescindible disponer de un
sistema de blindaje biológico en torno al reactor, capaz de reducir la dosis de
radiación a niveles tolerables para el servicio normal y operaciones de
mantenimiento. El blindaje tiene que absorber neutrones rápidos y térmicos, así
como radiaciones gamma primarias y secundarias. Para alcanzar el grado de
atenuación requerido, el sistema de blindaje consta normalmente de dos
componentes: blindaje térmico y blindaje biológico, aunque a su vez, cada uno
de ellos puede estar constituido por varios componentes. No hay que olvidar que
al abordar el proyecto de los blindajes, es necesario establecer los criterios
que el sistema ha de satisfacer y que están perfectamente recogidos en los
protocolos de protección radiológica de las instalaciones nucleares y que
omitimos en este breve resumen del Proyecto por razón de brevedad.
El sistema del blindaje térmico constará
principalmente de tres partes: camisa del núcleo, de acero de 2,54 cm; blindaje
térmico principal, de 7,62 cm de espesor; finalmente, la propia vasija de
presión del reactor, cuyas paredes tendrá un grosor de 20,07 cm. Fuera de la
vasija de presión hay un blindaje de agua de 91,2 cm de grosor, destinado a la
atenuación de neutrones; habrá sido proyectado para que reduzca el flujo
neutrónico a 1 x 103 neutrones cm-2 s-1. El
tanque de agua estará rodeado por un muro de hormigón armado de aproximadamente
152 cm de espesor, que atenuará neutrones y radiaciones gamma hasta el nivel
del sistema de refrigeración principal. Un blindaje secundario de hormigón,
inmediatamente antes de la vasija de contención exterior, también con un grosor
aproximado de 152 cm, circundará toda la planta. Los valores numéricos se
indican en la siguiente tabla
|
Zona |
Radio interior (cm) |
Grosos (cm) |
|
Reflector (agua) |
97,1 |
20,7 |
|
Camisa del núcleo (acero) |
117,8 |
2,6 |
|
Capa de agua |
120,4 |
5,3 |
|
Blindaje térmico (acero) |
125,7 |
7,6 |
|
Capa de agua |
133,3 |
5,1 |
|
Vasija de presión (acero) |
138,4 |
20,0 |
|
Capa de agua |
158,4 |
91,6 |
|
Hormigón |
250 |
152 |
4.-
Logística y transporte.
4.1.- Transporte de la
Tierra a la Luna.
En una primera
fase, con la tecnología actual, y teniendo en cuenta la enorme carga a
transportar, parece en primera aproximación que el medio más indicado de
transporte es el cohete ruso Energía, capaz de transportar hasta la
órbita terrestre una peso de 140 toneladas como máximo, a las que hay que
restar el peso del vagón o contenedor adecuado, unas 20 o 30 toneladas,
quedando unas 110-120 toneladas de carga útil. Es el cohete espacial más
potente construido hasta la fecha.
Pero como se
ha mencionado antes, no puede llegar más allá de una determinada órbita. Para
suplir este problema, el vagón de carga transportado debería llevar acoplado un
propulsor lo suficientemente potente para que, una vez alcanzada la órbita,
pudiera llegar sin más problema hasta la superficie lunar. Para evitar que el
peso del combustible reste capacidad de carga al vagón, proponemos la siguiente
solución: transporte desde la tierra del vagón sin combustible alguno. Una vez
en órbita y separado del cohete, el vagón sería dirigido a una estación
espacial construida al efecto con grandes depósitos de combustible, donde se
llenaría del mismo y desde la cual cogería el impulso suficiente para llegar a
la Luna.
Conociendo el gran volumen y peso de la carga a
transportar, la maquinaria de construcción, los habitáculos provisionales de
los operarios, la estructura del edificio de la central, los componentes del
reactor y los elementos combustibles del mismo, se ha realizado una primera
estimación del número de viajes necesarios para transportar todo el material
hasta su emplazamiento en la Luna.
Segunda fase, que incluye el problema del
alunizaje sin problemas de los grandes contenedores teledirigidos desde la
tierra, y que puedan hacerlo lo más cerca posible del emplazamiento del
reactor. En misiones preliminares se construiría una "plataforma de
alunizaje". Ello supone la búsqueda de una zona adecuada, llana y con
suficiente amplitud que sería acondicionada a lo largo de sucesivas misiones,
dejándola señalizada y preparada para la llegada de los vagones de carga. La
inexistencia en la Luna de fenómenos atmosféricos supone que no sería necesario
realizar especiales tareas de mantenimiento. Esta misma inexistencia de
atmósfera colabora negativamente al frenado de los vagones, lo cual supone un
pequeño problema añadido y que presentaría una fácil solución.
4.2.- Transporte en la
Luna.
Para trasladar todos los materiales necesarios al
emplazamiento del reactor, que, como se ha dicho, estará situado en el Cráter
Platón, presentamos la siguiente solución. Durante las primeras fases del
programa, podrían utilizarse las máquinas que se llevaron para hacer la pista
de alunizaje para construir caminos llanos entre el emplazamiento del reactor y
la futura base, la base temporal, y la pista de alunizaje, para facilitar el trasporte. Posteriormente, se
pondría en medio de ellas un sistema constituido por un raíl conectado
eléctricamente a varios grupos de paneles solares situados en la zona sur de la
Luna, orientados de forma tal que el sol siempre incidiera en uno de los
grupos. Sobre estas pistas circularía una flota de camiones eléctricos. Este
esquema solucionaría el problema de recarga de baterías, tarea que en vehículos
grandes lleva varias horas y que ralentiza grandemente las obras, amén de
depender, en el caso de que los vehículos tuvieran sus propios paneles, de las
mismas baterías durante la noche lunar. Para otras actividades se utilizarían
vehículos tipo "oruga" con sus
propios paneles para que pudieran transitar también fuera de las pistas
de los camiones.
Capítulo aparte merece el transporte del agua
necesaria para el funcionamiento del reactor y demás servicios. Dada la
constatación de la existencia de hielo en los polos de la Luna, se han considerados
las dos alternativas siguientes: como primera posibilidad extracción de hielo
por medio de un sistema de rotopalas, tal y como se hace en la minería de
carbón a cielo abierto; a continuación, transporte a un cercano edificio
presurizado y a temperatura adecuada para la fusión del hielo y, acto seguido,
transporte por tubería, adecuadamente aislada, del agua en estado líquido hasta
el cráter Platón, emplazamiento del
Reactor Selenia.
La alternativa al caso anterior consiste en situar
el edificio de fusión de hielo en el cráter Platón,
por lo que el agua sólida, extraída del depósito natural de hielo se
transportaría por "hieloducto".
Razones, fundamentalmente de economía, basadas en el
diseño de tubería bien aislada y con una gran longitud nos han decantado por
esta segunda posibilidad, cuyo diseño consta en el proyecto completo y que, por
razón de brevedad, no procede exponer aquí.
5.- Conclusiones.
Lo primero que queremos hacer en esta conclusión es
manifestar nuestro agradecimiento al FORO
NUCLEAR ESPAÑOL. Su amable invitación a participar en este proyecto ha
supuesto para nosotros una motivación para aprender más cosas acerca de nuestro
mundo y nuestra vida.
En nuestro proyecto nos hemos ocupado de dos partes
de la ciencia que consideramos bien interesantes, como son la física nuclear,
que es la que propicia nuestra participación en el concurso y la parte
principal de nuestro estudio, y la astrofísica, que decidimos añadir para
constituir un proyecto ambicioso, y, sobre todo, para ofrecernos a nosotros
mismos la posibilidad de aprender todavía más si cabe sobre temas científicos
en un mismo trabajo.
Hemos abordado esta misión con dos objetivos
básicos: en primer lugar formar un equipo de trabajo motivado por un serio
interés en aprender. Y con satisfacción debemos decir que lo hemos conseguido.
Logramos idear y diseñar nuestro propio reactor nuclear -no sin esfuerzo, todo
hay que decirlo-, así como estudiar -
la mayoría de las veces por nuestros propios medios - la Luna en profundidad,
encontrar el lugar idóneo para nuestra central e incluso dejar volar nuestra
imaginación para darle una apariencia real, pero con perspectivas de futuro.
También formaba parte de nuestro trabajo el desplazamiento hasta nuestro
satélite, objetivo a nuestro entender, logrado con un resultado satisfactorio.
Nuestro segundo gran objetivo era el divertirnos trabajando y aprendiendo, algo
que también hemos logrado, así como también la estrecha colaboración entre
todos los miembros del mismo, la que debe hacer que nos demos ya por
satisfechos.
Sólo nos resta añadir que nunca nos habíamos parado
a estudiar la energía nuclear con tanto detenimiento, y nos ha permitido darnos
cuenta de las numerosas ventajas que comporta, ya que antes sólo nos
percatábamos de los inconvenientes. Gracias una vez más por esta gran
oportunidad para aprender más sobre la energía nuclear y en general el mundo.
Creemos haberlo conseguido.
Superfluo es decir que nuestro humilde trabajo queda
"abierto". En otras palabras, quedan todavía muchos aspectos
importantes por desarrollar adecuadamente. Por otro lado, la Luna es una fuente
inagotable de ideas que nos gustaría ver plasmadas más adelante en forma de
otras aplicaciones energéticas, extracción de minerales, etc.
Seguiremos trabajando en ello.
6.- Bibliografia.
- Glasstone, S; Sesonske,A. Ingeniería
Nuclear; Reverté: Barcelona 1973.
- Caro, R. Física de Reactores Nucleares; Publicaciones JEN: Madrid 1976.
- López Rodríguez, M; Alonso, A; Materiales Nucleares: Publicaciones
JEN: Madrid 1971.
- Wyatt ,S. Principles of Astronomy; Allyn & Bacon : Boston 1971.
- Justi, P.E.W. Hidrógeno Solar; Marcombo: Barcelona, 1985 .
6 Sitio Web de la sonda Clementine: http://www.nrl.navy.mil/clementine/
7. Sitio Web Lunar Prospector:
http://lunar.arc.nasa.gov/.
8.
Página Web foronuclear español: www.foronuclear.org
7.- Componentes del Equipo de Trabajo
Los miembros del equipo que ha trabajado en el Proyecto SELENIA son los siguientes:
Alumnos (16):
-
Miguel Brasa
Estévez
-
Pablo Durán
Varela
-
Alejandro
Fariña Rodríguez
-
Ramón Feijoo
Álvarez
-
Carlos Alberto
García Moral
-
Daniel García
Táboas
-
Ruben Gómez
García
-
Alejandro
Lorenzo Gallego
-
Shimón Borja
Pérez - Conde González
-
Iago Pinal
Fernández
-
Daniel
Rodríguez García
-
Miguel
Rodríguez Lago
-
Victor Praxedes
Saavedra Rionda
-
Ricardo David
Sánchez Pereira
-
Xabier Vázquez
Fernández
-
Loreto María
Vidal Castro
Profesores (2):
-
Juan Lois
González
-
Javier Velasco
Pomar
"Et dixi nunc coepi"
|
Colegio Apóstol Santiago Grupo de 1º
de Bachillerato Jesuitas - Vigo C/ Sanjurjo Badía nº 79 Tf: 986371011 36207 Vigo email:
casantiago@jet.es
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8.- Materiales anexos.
8.1.- Reacciones de
fisión
Básicamente, la Fisión
nuclear consiste en que un átomo pesado (como por ejemplo el
Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos más ligeros por medio de
un impacto neutrónico de energía adecuada, liberando más neutrones y una
cantidad de energía potencialmente aprovechable. La suma de las masas de estos
últimos átomos obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la
masa del átomo original. El defecto o diferencia de masa transformada en
energía viene dada por la conocida fórmula de Einstein E = mc2. Como
hemos indicado, para escindir un átomo, se emplea un neutrón (ya que es neutro
eléctricamente, y no es desviado de su trayectoria), que se lanza contra el
átomo a romper, por ejemplo, Uranio. Al chocar el neutrón, el átomo de
Uranio-235 se convierte en Uranio-236 durante un brevísimo espacio de tiempo,
pues tiene un neutrón más que es el que ha chocado con él, siendo este último
átomo sumamente inestable, dividiéndose en dos átomos diferentes y más ligeros
que el Uranio-236 (por ejemplo Kriptón y Bario; o Xenón y Estroncio),
desprendiendo 2 ó 3 neutrones. En caso
de obtener Bario y Kriptón, se desprenden 3 neutrones; mientras que si se
obtiene Xenón y estroncio, sólo se liberan 2 neutrones. Estos 3 neutrones,
vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9
neutrones, energía y otros dos átomos más ligeros, y así sucesivamente,
generando de esta forma una reacción en cadena.
8.2.- Sismología Lunar
"Lunamotos" o seísmos lunares.
Además de la Tierra,
son muchos los planetas y satélites de nuestro Sistema Solar que presentan una
actividad sísmica notoria. Los aparatos de medición instalados en la superficie
lunar demuestran que este satélite también lleva una ajetreada vida interna. La
mayoría de los lunamotos o selenomotos se producen a una profundidad de 800 a
1.000 km por debajo del manto lunar, mientras que en nuestro planeta ocurre
entre los 70 y 700 km. Curiosamente, los sismólogos han descubierto que los
seísmos ocurren por norma general en los puntos donde la órbita de la Tierra
coincide con su mayor -406.740 km- o menor -356.410 km- distancia al satélite.
Una de las marcas más
patentes de la actividad sísmica lunar es el Gran Muro, también llamado Gran
Pared. Se trata de un declive vertical de unos 300 m de altura y 100 km de
largo, que surgió a raíz de unos fuertes hundimientos provocados por colosales
sacudidas sísmicas.
Interior de la luna.
Aunque la superficie
no muestra señales visibles de actividad, el interior de la Luna sigue estando
caliente (lo revelaron los experimentos de flujo del calor efectuados por las
misiones del Apolo 15 y 17), debido a la presencia de materia radiactiva
superficial. Esas misiones descubrieron también que se producen cada año unos
3.000 temblores que son de poca importancia vistos a escala de la Tierra. El
estudio de los sismos lunares permitió averiguar la estructura interna del
satélite.
Su corteza llega a
unos 60 km de profundidad en la cara visible y a unos 65 km en la cara opuesta.
Esta corteza se compone de varias capas. La regolitea llega a varios kilómetros
de la capa rocosa roca por el bonbardeo meteorítico. Su profundidad y
composición varía entre los montes y los mares; los primeros se componen sobre
todo de anortesita, mientras que los mares son principalmente basálticos.
A unos 20 km bajo la
superficie cambia la composición de la corteza superior para asimilarse a la de
los montes. Bajo la corteza hay una capa de material más denso que llega a unos
150 km de profundidad, donde empieza la región siguiente, la litosfera. Los
seísmos lunares se originan en esta región, a unos 1.000 km de profundidad.
Bajo la litosfera está situada la estenosfera, núcleo exterior, fundido en
parte.
Finalmente, en el
centro de la Luna hay un núcleo interior fundido, de unos 1.500 km de diámetro.
En 1968 fue
descubierto un rasgo interesante en el interior de la Luna a causa de unas
variaciones inesperadas de la velocidad orbital de la sonda estadounidense
Orbiter 5. Las ocasionaban unas áreas superficiales localizadas de densidad
anormalmente elevada. Fueron denominadas simplemente concentraciones de masa
(mascons), y podrían haberse formado por elevación de lava del núcleo exterior
a través de fisuras de la litosfera (causadas posiblemente a su vez por el
impacto de grandes meteoritos al principio de la historia de la Luna), lava que
se solidificó después para originar masas localizadas de gran densidad situadas
debajo mismo de la superficie.
8.3.-
La detección del hielo lunar.
El Lunar Prospector ha utilizado un espectrómetro de neutrones para
analizar la composición del suelo. Mientras que algunos elementos, como el
uranio o el torio emiten neutrones y otros los dispersan, el hidrógeno los
absorbe eficazmente. El espectrómetro de neutrones resulta, entonces, un
aparato muy eficaz para detectar hidrógeno.
El método es muy sencillo. La
radiación cósmica bombardea constantemente la luna desde todas direcciones con
partículas de altas energías. Este bombardeo va liberando neutrones de la
superficie. Algunos elementos emiten neutrones de una energía fija. La distribución
de neutrones de estas energías nos permite cartografiar la distribución de los
elementos. Los neutrones de energía intermedia (técnicamente "neutrones
epitermales") son muy sensibles a la absorción por hidrógeno. Su
distribución nos permite conocer las zonas de la luna dónde hay hidrógeno en
forma de hielo.
El 5 de marzo de 1998 se pudo
anunciar que la señal de hidrógeno se había detectado por primera vez en los
polos. Aunque hay muchos compuestos naturales de hidrógeno, los resultados de
los Apollo demostraron que tales
compuestos no existen en la luna. El hecho de detectar grandes cantidades de
hidrógeno supone, entonces, la existencia de hielo. El anuncio inicial
comentaba de la probable existencia de hasta 300 millones de toneladas de hielo.
La mala noticia era que este hielo estaba mezclado con el suelo lunar (el
regolito) y parecía que solo el 1% de la mezcla era agua. Como consecuencia,
para utilizar el hielo, sería necesario procesar el regolito en cantidades
masivas.
Después de estudiar el problema
más profundamente las conclusiones han cambiado radicalmente. Uno de los
problemas al que se han enfrentado los científicos es el hecho que los modelos
de la luna que están utilizando han resultado inadecuados. Ahora, después de un
esfuerzo intenso, los nuevos modelos permiten sacar unas conclusiones más
seguras. Los resultados son, en algunos casos, muy sorprendentes:
Como queda dicho en otro lugar de
este trabajo, se estima que puede existir un total de unos seis mil millones de
toneladas de hielo en los dos polos (6 x 109). La cantidad estimada
de hielo es, por tanto, más de diez veces superior a lo que se estimaba antes.
Hay un 15 % más de señal en el
polo norte y, por eso, se supone que las cantidades de hielo son algo
superiores ahí que en el polo sur.
Una parte al menos del hielo está
hundido en el subsuelo, bajo una capa de hasta 40 centímetros de roca y tierra
seca.
Al menos una parte del hielo es
casi puro y no está mezclado con grandes cantidades de roca y tierra.
Aunque seis mil millones de toneladas de hielo parece ser mucho,
de hecho, equivale a un bloque de 2 x 2 x 2 kilómetros; en otras palabras, es
sólo una fracción muy pequeña de todo el hielo que ha venido a la luna desde el
espacio exterior. Los análisis de los impactos cometarios sugieren que los
cometas podrían haber dejado entre diez y cien veces más hielo en las regiones
polares.
El
significado del hallazgo para la exploración de la luna.
El hielo puede aprovecharse para
el suministro de agua y también, usando la abundante luz solar, puede fundirse
para, posteriormente, y por vía electroquímica, suministrar hidrógeno como
combustible para los cohetes remolcadores y oxigeno para respirar, entre una
multitud de usos. En consecuencia, una primera estimación supone el tener una
idea bien concreta del valor que tal reserva de hielo podría tener, puesto que
evitaría la necesidad de remolcar suministros de agua y combustible desde la
Tierra a las bases lunares en cohetes cargueros. Además, no es un combustible cualquiera.
pues el hidrógeno y el oxigeno forman, conjuntamente, una de los conjuntos de
combustible y oxidante más eficaces que se conoce.
Si ponemos un precio muy
conservador de $10.000 de precio por kilogramo para llevar carga a la luna (en
los Apollo el precio fue mucho
mayor), el valor del hielo en los dos polos asciende a la cantidad de
$60.000.000.000.000.000. Eso es lo que costaría llevar esta cantidad de agua a
la luna.
Evidentemente el valor real es
menor puesto que la cantidad de hielo es lo suficientemente grande como para
satisfacer durante siglos las necesidades de cualquier base lunar que podemos
concebir actualmente.
Sin embargo, la sugerencia de que
el hielo lunar podría haber dado lugar a la vida en la luna es mucho menos
probable. El hielo estará a una temperatura en torno a los -230 ºC (40 K). En
la ausencia de aire y a una temperatura tan baja es muy dudoso que las
condiciones se encuentren al gusto de cualquier bacteria lunar sensata.