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Una de las demostraciones más extraordinarias del poder de la química es la exploración espacial. Desde las primeras misiones no tripuladas de finales de la década de 1950 al programa del transbordador espacial y, ahora, a Artemis, las innovaciones en las tecnologías de combustibles y motores para los cohetes siguen impulsando el alcance, la capacidad y la sostenibilidad de la exploración espacial, y demuestran en tiempo real el importante papel de la química en este campo.
Un combustible para cohetes optimizado es crucial para el éxito de la misión
Los cohetes usan diversas combinaciones de combustible y oxidantes para generar la enorme potencia necesaria para superar la gravedad terrestre. Los oxidantes y combustibles son elementos estables a temperatura ambiente, pero cuando se les aplica una fuente de calor crean una reacción explosiva que impulsa el cohete.
Mediante el ajuste de la proporción entre combustible y oxidante, los ingenieros pueden controlar diversos aspectos del rendimiento del cohete. Cada combinación proporciona un conjunto único de características, beneficios y desventajas y afecta a métricas de rendimiento como la eficiencia de propulsión y a otras variables como la toxicidad, el coste y la seguridad. Por tanto, elegir el mejor paquete de propelente para cada viaje es una decisión crítica que depende de muchas variables relacionadas con la misión del cohete.
Los propelentes gaseosos, por ejemplo, son poco prácticos para la mayoría de los cohetes que van a realizar trayectos de larga distancia a causa del elevado volumen que se necesitaría, pero comprimir y enfriar estas sustancias en las fases líquidas correspondientes proporciona una relación óptima entre volumen y potencia para las aplicaciones de cohetes a gran escala. Algunos propelentes, sin embargo, tienen puntos de ebullición extremadamente bajos y requieren un enfriamiento criogénico a temperaturas inferiores a –150 °C para licuarse. Esto puede obstaculizar el uso de estos combustibles para la propulsión de cohetes, dado que los beneficios deben superar a los costes y los desafíos de este requisito para que una misión justifique su elección.
Dos características de rendimiento importantes de los propelentes, que a veces se confunden, son el empuje y el impulso específico. El empuje mide el potencial de fuerza de reacción del propelente o cantidad de peso que el cohete será capaz de levantar. El impulso específico (Isp) define la eficiencia con la que un propelente convierte su masa en empuje en función del tiempo que una cantidad determinada de propelente puede empujar una carga. Los motores que usan propelentes con un impulso específico elevado suelen tener un empuje menor, pero utilizan la masa de propelente de un modo más eficiente. En suma, permiten recorrer más distancia con una cantidad dada de gas.
La tabla 1 compara las principales propiedades de los paquetes de combustibles de cohetes más comunes. El motor RS-25 empleado por el Sistema de Lanzamiento Espacial Artemis de la NASA usa el paquete de propelente LOX/LH2. En cambio, los cohetes desarrollados por algunas organizaciones comerciales, como el Raptor de SpaceX y el BE-4 de Blue Origin, usan un paquete de metano líquido/LOX.
Entre los propelentes de cohetes modernos, el LOX/LH2 es el que presenta el valor más alto de Isp. Esa eficiencia y un historial demostrado de fiabilidad son los principales motivos por los que el paquete de LOX/LH2 se usa habitualmente como propelente de cohetes desde hace cinco décadas, a pesar de que los dos átomos requieran enfriamiento criogénico. Además, mientras que otros propelentes liberan grandes cantidades de sustancias químicas contaminantes y gases de efecto invernadero tras la combustión, el principal subproducto generado por la combustión de LOX/LH2 es el agua, lo que lo convierte en un combustible más sostenible.
Nota: *RP-1 (propelente para cohetes 1) es una forma muy refinada de queroseno que se usa con frecuencia en motores de cohetes líquidos (p. ej., el motor del cohete Saturno V).
Química de la reacción de radicales de los cohetes con LOX/LH2
El hidrógeno y el oxígeno son elementos estables que no reaccionan espontáneamente cuando se mezclan a temperatura ambiente. Para que se produzca una reacción, los enlaces covalentes H–H y O=O se tienen que romper. Cuando se suministra una energía mayor que la de los enlaces H–H y O=O, se inicia una reacción en cadena hasta que se forma agua. Esta reacción que produce la estructura estable del agua libera grandes cantidades de energía durante la combustión del H2 con O2.
A pesar de la aparente sencillez de esta reacción, la combustión de H2 con O2 es compleja y requiere varias reacciones intermedias con radicales H y O. Las principales reacciones que llevan a la formación de agua se enumeran en la figura 1. Las reacciones de ramificación en cadena se dan cuando un radical genera dos o más radicales (figura 1, reacciones 3 y 4). Como estas reacciones producen más radicales reactivos de los que consumen, se aceleran, lo que explica su naturaleza explosiva.
Estas reacciones de radicales no se producen siempre en el orden indicado en la figura 1, y se pueden formar otros radicales que no se han mencionado aquí por medio de otros esquemas de reacción en cadena. La mezcla, la presión y la temperatura del propelente también influyen en los mecanismos cinéticos de la combustión de H2.
Desarrollo del diseño de motores para impulsar Artemis
Además de la optimización del combustible, el diseño de los motores de los cohetes es esencial para maximizar la potencia de los cohetes modernos. Los diseños de motores de cohetes actuales usan innovaciones fundamentales desarrolladas en el programa de cohetes V-2 de Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. La disponibilidad de nuevos materiales y otras innovaciones tecnológicas han permitido a los ingenieros perfeccionar estos diseños para aumentar la potencia, la durabilidad, la fiabilidad y la eficiencia necesarias para las misiones espaciales modernas.
El motor RS-25, diseñado en la década de 1970 por Aerojet Rocketdyne, se desarrolló y usó originalmente en las misiones del transbordador espacial de la NASA. Cinco generaciones de innovación más tarde, los RS-25 que propulsan el cohete SLS de Artemis son sofisticados motores criogénicos que incorporan décadas de avances tecnológicos y optimizaciones de diseño, lo que los convierte en unos de los motores para cohetes más eficientes y potentes que se han creado.
Para generar un empuje potente y uniforme, los motores de cohetes se tienen que alimentar con un gran volumen de propelente líquido a alta velocidad a través de una turbobomba. La primera versión de la turbobomba (figura 2) fue desarrollada por los ingenieros del V-2 en los años cuarenta. Fue revolucionaria en cuanto a diseño y rendimiento y tiene una turbina de vapor que gira a 4000 rpm para impulsar las bombas centrífugas tanto del combustible como del oxidante. Más de 60 años después, la turbobomba moderna sigue siendo uno de los componentes más importantes y complejos, que determina el rendimiento de los motores de cohetes modernos.
Evolución de la propulsión de cohetes tripulados de Estados Unidos
Los motores RS-25 del cohete de Artemis utilizan el paquete de propelente criogénico LOX/LH2 por su mayor impulso específico. Sin embargo, la gran diferencia entre las densidades y las tasas de flujo del LH2 y el LOX impide que el RS-25 funcione con una única turbobomba. La densidad del hidrógeno es extremadamente baja (71 g/L), lo que significa que se necesita 2,7 veces más LH2 para igualar proporcionalmente la cantidad de LOX y lograr que la combustión sea eficiente. Para posibilitar el uso de estos dos líquidos criogénicos totalmente diferentes con distintas propiedades físicas, el RS-25 utiliza dos turbobombas independientes.
Estas turbobombas de alta presión modernas son auténticas cimas de la ingeniería. Sus turbinas contienen decenas de palas con el tamaño de una moneda. Cada pala, que gira a una velocidad de entre 28 000 y 35 000 rpm, suministra más potencia que el motor de un Corvette, lo que permite a estas turbobombas generar decenas de miles de caballos de potencia.
Las aspiraciones espaciales impulsan la innovación en distintos sectores
Las tecnologías de combustibles y motores para cohetes son ejemplos obvios de áreas de innovación impulsadas por el programa espacial. Sin embargo, el objetivo actual de volver a llevar humanos a la luna y llegar en el futuro a Marte también están acelerando nuevas investigaciones en diversos sectores, como la medicina, la ciencia de los materiales, las comunicaciones, la electrónica e incluso la agricultura. Muchas de estas innovaciones, además de hacer posibles las misiones espaciales, se traducen en mejoras de productos que nos benefician a todos también aquí, en la Tierra.
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