Hace poco asistimos a un momento histórico: el lanzamiento de la 1era misión espacial tripulada estadounidense A partir de 2011. Pero el diseño futurista del interior de la Crew Dragon se acuerda a series de ciencia ficción De esta manera tal y como The Expanse, los motores cohete del lanzador Falcon 9 de SpaceX utilizan fundamentalmente exactamente la misma tecnología que los de los del R-7 que puso en órbita el 1er Sputnik en 1957. Motores del lanzador Falcon 9 de SpaceX – Official SpaceX Photos/Flickr, CC BY-NC
La tecnología que propulsa los lanzadores
En una misión espacial confluyen incontables tecnologías de altísima complejidad y criticidad, Sin embargo Indudablemente la fundamental es la propulsión cohete. Resulta llamativo que, Aunque se han ido introduciendo mejoras, los lanzadores y sus prestaciones no han cambiado sustancialmente Desde los principios de la era espacial, ya hace más de 60 años. ¿Por qué? Para poner en órbita un automóvil es necesario, en 1er lugar, subir Mediante la atmosfera venciendo la gravedad terrestre Y después, lograr una velocidad horizontal suficiente. Los cohetes han de dar una alta fuerza de empuje, superior a su peso; De lo contrario, no sería posible despegar. Esto se consigue haciendo el motor suficientemente grande y potente. Sin embargo Además es fuerte que los cohetes posean un alto impulso específico, o relación entre empuje y gasto de combustible, que resulta ser igual a la velocidad del chorro eyectado. Un mayor impulso específico implica menor consumo de combustible, y un lanzador más ligero y económico. La mayor una parte de lanzadores de combustible líquido, Del mismo modo que el Falcon 9 y el R-7, utilizan keroseno y oxígeno líquido criogénico. Esta mezcla aporta un impulso específico que oscila entre 3 y 3,5 km/s. Los lanzadores de máximas prestaciones De La misma manera que el Ariane 5, el futuro Ariane 6 y el SLS sustituyen el keroseno por hidrógeno líquido y llegan a los 4,5 km/s. No obstante esta cifra parece elevada, es mucho más baja de lo deseable. Por ello, los lanzadores son mayormente un tanque combustible volador. Solo una niña parte de su masa corresponde a la carga de pago útil. Lanzador Ariane 5 despegando. – ESA
Es muy improbable que la propulsión química supere alguna vez este rango de valores, En tanto que está limitada por la energía específica del combustible. Simplemente, no hay sustancias mejores para quemar, que den más calor y cumplan con otros requisitos necesarios. Moverse ahí fuera: propulsión espacial eléctrica
Ya en el espacio, nuestras necesidades propulsivas cambian drásticamente: ahora, Versa de elaborar correcciones y cambios de órbita, para lo cual se requiere un empuje infinitamente menor que el de un lanzador. Sin embargo, maximizar el impulso específico es Todavía más prioritario, Ya que la cantidad de propulsante que podemos llevar a bordo es limitada. Una vez lo consumamos por completo, terminará la vida útil de la misión. A partir de mediados del siglo XX se ha desarrollado una forma de propulsión espacial alternativa a la química, conocida Al igual que propulsión eléctrica o por plasma. Estos motores, en lugar de depender de la energía de un combustible, usan potencia eléctrica para acelerar de forma directa el propulsante. De esta manera es posible superar con creces el impulso específico de los motores químicos, llegando Sencillamente a 20-40 km/s. Esto supone un enorme ahorro de masa y hace posibles viajes irrealizables con cohetes tradicionales. Para ello, primero se ioniza el propulsante, convirtiéndolo en un plasma (una sopa de iones y electrones libres), para entonces acelerarlo con campos eléctricos y magnéticos. En este principio se basan una gran variedad de tecnologías diferentes, Del mismo modo que por ejemplo los exitosos motores de efecto Hall y los motores de iones. A día de Hoy, más del 40 POR CIEN de los satélites geostacionarios utiliza alguno de esos motores para ahorrar cientos y cientos de kilogramos de combustible y extender su vida útil, especialmente los motores Hall. También se emplean en órbita baja y en misiones interplanetarias De esta forma tal como Bepi-Colombo, Dawn, o bien Hayabusa, en las que los motores iónicos ofrecen un excepcional desempeño. Motor de efecto Hall en cirugía – NASA
Pese a sus grandes ventajas, la propulsión eléctrica De la misma forma tiene inconvenientes. El principal es que el empuje que produce está limitado por la potencia embarcada. Con las potencias disponibles actuales (10-20 kW), representa un empuje muy bajo, típicamente inferior a 0,2-1 N. Esto es menos que el peso de un móvil en la mano, y significa que la propulsión eléctrica no puede utilizarse en maniobras rápidas (por ejemplo para evitar una colisión con basura espacial). ¡Mucho menos para despegar de la Tierra! Por todo ello, la propulsión eléctrica no sustituye a la química, Sino que la complementa: es la mejor opción para volar eficientemente una vez ya en el espacio, Cuando disponemos de tiempo suficiente para propulsarnos y las fuerzas son pequeñas. Retos actuales y futuros
Los planes actuales de agencias y empresas privadas sugieren que nos encontramos a las puertas de un nuevo capítulo de la conquista del espacio, en el que todas y cada una las tecnologías propulsivas conocidas jugarán un papel fundamental. La apuesta por la propulsión eléctrica es clara: los motores Hall son la base de la estación Gateway del programa Artemis de la NASA para retornar a la Luna y colonizar Marte. Tanto Boeing Tal y como Airbus han desarrollado en los últimos años plataformas satelitales all-electric que realizan todas y cada una de las fases de la misión espacial con estas tecnologías. Finalmente, un caso de manipulación que ha disparado y abaratado notablemente la producción de motores de plasma son los proyectos de megaconstelaciones. La propulsión eléctrica es un ámbito de investigación muy activo. Ciertos retos más acuciantes están relacionados con entender y controlar la física de la turbulencia de los plasmas magnetizados, responsable de una pérdida esencial de eficiencia y la erosión de las paredes y electrodos de los motores. Declaraciones incidentes son bien famosos en la fusión nuclear, donde la turbulencia afecta de forma directa el funcionamiento de los reactores. Iniciativas De exactamente la misma forma que el proyecto Prometeo en la Comunidad de Madrid tratan descubrir sinergias entre estos dos ámbitos de la física de plasmas para resolver este problema transversal. En Europa, el crecimiento de los motores Hall está comandado por proyectos del programa H2020 De La misma manera que Cheops, comandado a mejorar el confinamiento magnético de estos motores y su escalado a muy grandes y muy pequeñas potencias. Finalmente, en la frontera del conocimiento encontramos nuevas tecnologías con mecanismos innovadores de generación y aceleración del plasma que prometen grandes ventajas. En este sector destacan los motores sin electrodos con toberas magnéticas, De La misma manera que el motor Helicón, el motor VASIMR o el motor ECR. Estos dispositivos prometen una enorme durabilidad y podrán operar con prácticamente cualquier sustancia Al idéntico que propulsante. Permitirán De este modo reducir el elevado costo de los motores que utilizan xenón (un gas muy caro) y ejecutar misiones interplanetarias que requieran reabastecimiento in situ. Mario Merino Martínez es Maestro titular universitario, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, club de propulsión espacial y plasmas, Universidad Carlos III Este artículo se dirigió publicado originalmente en The Conversation.<img src=”https://counter.theconversation.com/content/140352/count.gif?distributor=republish-lightbox-advanced” alt=”The Conversation” width=”1″ height=”1″ style=”border: none !important; box-shadow: none !important; margin: 0 !important; max-height: 1px !important; max-width: 1px !important; min-height: 1px !important; min-width: 1px !important; opacity: 0 !important; outline: none !important; padding: 0 !important; text-shadow: none !important” />