Kelly Lively trabaja en el Laboratorio Nacional de Idaho como directora del Departamento de Sistemas de Energía de Radioisótopos desde 2007, donde coordina las colaboraciones entre esa institución y la agencia espacial de Estados Unidos, la NASA. Ella ha tenido la oportunidad de participar en algunas de las misiones de exploración espacial más ambiciosas de las últimas décadas, entre ellas, la más reciente, que viajó a Marte.
Lively inició su propia carrera espacial de una manera poco común. Quería estudiar contaduría, pero una mudanza repentina de Illinois, su estado de origen, la llevó a trabajar como secretaria de recursos humanos en las Instalaciones de Reactores Navales del Departamento de Energía en Idaho. Ocupó varios puestos hasta que le dieron el cargo de inspectora de control de calidad; ése fue su primer acercamiento a los aspectos técnicos de los proyectos. Ahí Lively se interesó en el desarrollo y la construcción de fuentes de energía tanto que, a sus 28 años, cambió de vocación y comenzó la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Estatal de Idaho.
Una vez que se graduó, su primer trabajo fue colaborar en el desarrollo de una fuente de energía para la misión Pluto New Horizons, lanzada en 2006 hacia los confines más remotos de nuestro Sistema Solar. La sonda enviada logró fotografiar como nunca antes a Plutón y a varias de sus lunas –Caronte, Nix, Hidra, Estigia y Cerbero–. Gracias a esas imágenes, ahora sabemos que Plutón es un mundo geológicamente activo, con cordilleras de 3,500 metros de altura y grandes masas de hielo que fluyen, como glaciares, desde el ecuador hacia los polos del planeta enano. Esos descubrimientos han obligado a los científicos a pensar en los mecanismos que podrían mantener activos los procesos geológicos en un mundo que antes se consideraba completamente inerte.
Kelly Lively, directora del Departamento de Sistemas de Energía de Radioisótopos desde 2007.
Acerca de esa misión, en entrevista para Gatopardo, Lively comentó que le tiene un cariño especial. Participar en ella le permitió entender el trabajo de los ingenieros inmersos en proyectos científicos. A partir de ese momento, se ha especializado en el diseño de sistemas de producción de energía para misiones espaciales. En consecuencia, desde 2007, Lively dirige el equipo responsable de diseñar, construir y probar sistemas que generan energía a partir de combustible radioactivo, para “dar vida” a las sondas y los robots de misiones como Curiosity y Perseverance, que actualmente exploran la superficie de Marte.
No es una coincidencia que la conferencia que dio el 19 de marzo en el Congreso Internacional de Sustentabilidad, organizado por la Universidad Iberoamericana, llevara el título “Reactores térmicos de radioisótopos: energía y la frontera final”. En él evoca la introducción de uno de los programas de ciencia ficción más conocidos de la historia: Star Trek (Viaje a las estrellas, como se tradujo en México). A Lively le gustaba ver las aventuras de la tripulación del Enterprise cuando era niña. Para ella, la ciencia ficción ha sido una inspiración; dice que sirve para pensar fuera de la caja, para jugar mentalmente con la pregunta: ¿qué pasaría si esto fuera posible?
Y Lively lo ha hecho posible. Como directora de uno de los departamentos del Laboratorio Nacional de Idaho, ha aprendido que un límite es sólo un obstáculo para el que hay que encontrar una solución.
Kelly Lively dirige el equipo responsable de diseñar sistemas que generan energía para “dar vida” a las sondas y los robots de misiones como Curiosity y Perseverance.
Átomos calientes
A los generadores con los que Lively trabaja se les conoce como Fuentes de Energía de Radioisótopos (RPS, por sus siglas en inglés). Si bien utilizan plutonio como combustible radioactivo, no se pueden comparar con los grandes reactores nucleares que producen energía para iluminar ciudades enteras. Se trata, en cambio, de ingeniosos dispositivos compactos, más o menos del tamaño de un horno de microondas, que transforman directamente el calor en energía eléctrica al combinar dos procesos distintos: el decaimiento radioactivo y el efecto termoeléctrico.
El primer proceso, el decaimiento radioactivo, ocurre en elementos químicos cuyos núcleos atómicos son inestables porque no están “cómodos” con su peso. Los átomos de un mismo elemento pueden tener distinto número de neutrones en su núcleo sin que esto afecte su identidad, la cual está determinada por su carga eléctrica, que depende de los protones y electrones; mientras que los neutrones, al tener carga neutra, sólo influyen en el peso atómico. Cuando los átomos de un mismo elemento tienen distinto peso se les llama isótopos, y los isótopos inestables (radioactivos) buscan deshacerse de ese exceso de peso emitiendo energía, partículas o ambas hasta alcanzar una forma estable. El decaimiento radioactivo puede durar décadas o miles de años, dependiendo del isótopo.
Para construir los RPS, el equipo de Kelly utiliza como combustible el plutonio 238, que tarda alrededor de 88 años en alcanzar una forma estable y produce temperaturas muy altas en su proceso de decaimiento. Este isótopo está contenido dentro del RPS y su función es proporcionar una fuente continua de calor.
Para construir los RPS, el equipo de Kelly utiliza como combustible el plutonio 238, que tarda alrededor de 88 años en alcanzar una forma estable y produce temperaturas muy altas en su proceso de decaimiento.
Por otra parte, el efecto termoeléctrico permite transformar el calor que produce el plutonio 238 en energía eléctrica. Este fenómeno ocurre cuando dos metales distintos, unidos sólo en dos puntos, experimentan una diferencia de temperatura. Por ejemplo, se puede tomar un alambre de cobre y un alambre de hierro y anudarlos en sus dos extremos para formar un circuito; después se coloca uno de esos nudos (la unión caliente) cerca de una fuente de calor, mientras el otro (la unión fría) se mantiene en refrigeración. Debido a que los metales reaccionan de manera distinta a la diferencia de temperatura, se producirá un flujo de electrones entre ellos, en otras palabras: se obtendrá una corriente eléctrica. En un dispositivo RPS, la unión caliente del circuito está cerca de la fuente de calor de plutonio 238, mientras que la unión fría está en contacto con la parte más externa del RPS, el cual se mantiene refrigerado naturalmente gracias a las bajas temperaturas del espacio exterior.
El Generador Termoeléctrico de Radioisótopos Multimisión (MMRTG, por sus siglas en inglés) es el modelo de RPS que se utiliza actualmente en las misiones espaciales en las que Lively colabora. Además de producir energía para que funcionen los experimentos, los sistemas de comunicación y todo lo que requiere electricidad en una misión, es también un sistema de calefacción que mantiene la temperatura necesaria para que los sistemas de los robots o las sondas funcionen adecuadamente en las condiciones de frío extremo en las que trabajan.
Lively aclara que no debemos pensar en los RPS como reactores nucleares ni confundirlos con baterías: no están diseñados para almacenar la energía que producen. De hecho, para que Curiosity y Perseverance puedan funcionar, necesitan baterías de litio además del MMRTG, pues éste no suministra la energía con la potencia ni a la velocidad que requieren los sistemas de los robots. Así, la energía que produce el RPS se almacena en las baterías, de donde los robots la obtienen a libre demanda.
La electricidad necesaria para operar el rover de la NASA enviado a Marte en 2020 es proporcionada por un sistema de energía llamado Generador Termoeléctrico de Radioisótopos de Misiones Múltiples, o MMRTG.
Hechos para el espacio
En misiones espaciales anteriores, robots como Spirit y Oportunity han utilizado la energía solar para funcionar. No siempre es la mejor opción. Lively menciona que otras misiones, como New Horizons, se alejan tanto del Sol que no pueden depender de su energía para operar, de modo que requieren fuentes de energía alternas, como los RPS. Además, en la exploración de Marte ha ocurrido que los vientos cubren de arena las celdas solares de los robots, dejándolos inservibles temporal o permanentemente; sus operaciones durante la noche marciana se ven muy limitadas por este motivo. En cambio, Curiosity y Perseverance llevan su propio MMRTG para soportar mejor las inclemencias del clima en el planeta rojo y aprovechar al máximo su tiempo de vida, trabajando de día y de noche.
Podría pensarse que estas fuentes de energía, tan útiles en la exploración del Sistema Solar, son una buena alternativa para la energía sustentable en la Tierra. Desafortunadamente, no es así. Lively explica que los RPS no producen suficiente energía para satisfacer nuestras necesidades, pues están diseñados para permitir el funcionamiento de sistemas que deben operar con la menor cantidad de energía posible y en condiciones de ingravidez o con una gravedad menor a la que experimentamos en la Tierra. Por ejemplo, si quisiéramos utilizar un RPS para mover un automóvil en nuestro planeta, necesitaríamos un generador muy grande para viajar a una velocidad aceptable. Si además tomamos en cuenta que el plutonio 238 es un isótopo muy escaso, que necesitamos reactores nucleares para producirlo y que el proceso es muy costoso (alrededor de nueve millones de dólares por kilo), considerando además el número de automóviles que transitan en las calles, se hace evidente que hay modos mucho más eficientes, viables y limpios para producir energía en la Tierra.
En misiones espaciales anteriores, robots como Spirit y Oportunity han utilizado la energía solar para funcionar. No siempre es la mejor opción. Lively menciona que otras misiones, como New Horizons, se alejan tanto del Sol que no pueden depender de su energía para operar.
La frontera final
El equipo de Lively en el Laboratorio Nacional de Idaho está compuesto por especialistas en diversas áreas de la ingeniería y las ciencias. De acuerdo con su conocimiento y experiencia, se aseguran de que los distintos componentes del MMRTG funcionarán bien en conjunto y verifican que éste sea seguro, tanto en las condiciones extremas del despegue como durante la misión. Ocurre lo mismo con otros componentes en otros laboratorios e institutos: los instrumentos científicos se podrían estar construyendo en el Goddard Space Flight Center, en Maryland, y las cámaras podrían estar a cargo del equipo de Malin Space Science Systems en California. En el caso de Curiosity, uno de los experimentos se desarrolló en colaboración con el equipo del Laboratorio de Química de Plasmas y Estudios Planetarios, en el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM. Y así con cada sistema e instrumento necesario para la misión, porque explorar el espacio es un objetivo tan grande y ambicioso que es imposible de realizar sin la colaboración de muchos equipos de expertos.
El RPS de Lively, una vez terminado, viaja al John F. Kennedy Space Center, en Florida, donde llegan también las contribuciones de otros equipos para aportar a la misión el conocimiento y el trabajo de quienes diseñaron y construyeron cada pieza. Entonces comienza la fase final del proyecto, cuando las partes de distintos orígenes se acoplan y se prueban en conjunto en un largo y minucioso proceso que puede durar meses. Todo debe funcionar a la perfección, pues sólo habrá una oportunidad de que la misión tenga éxito.
Llega el día de lanzamiento. Termina la cuenta regresiva y el nuevo emisario artificial se despide de la Tierra dejando tras de sí una dramática columna de humo. Mientras tanto, Lively y todos los que colaboraron –conectando un cable, aportando una teoría, haciendo un diagrama– observan la partida, imaginado que ellos mismos están a bordo de la nave, como exploradores incansables para quienes los límites no existen, para quienes los obstáculos sólo son problemas por resolver.
