Los sofisticados avances en la propulsión de cohetes podrían marcar el comienzo de una nueva era de vuelos espaciales
mayo 14, 2021
La Darpa (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos) encargó recientemente a tres empresas privadas, Blue Origin, Lockheed Martin y General Atomics, el desarrollo de cohetes térmicos de fisión nuclear para su uso en la órbita lunar.
Tal desarrollo, si se realiza, podría marcar el comienzo de una nueva era de vuelos espaciales. Dicho esto, esta es solo una de las muchas avenidas emocionantes en la propulsión de cohetes. Aquí hay algunos más.
Cohetes químicos
El medio estándar de propulsión para naves espaciales utiliza cohetes químicos. Hay dos tipos principales: combustible sólido (como los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial) y combustible líquido (como el Saturno V).
En ambos casos, se utiliza una reacción química para producir un gas muy caliente y altamente presurizado dentro de una cámara de combustión. La boquilla del motor proporciona la única salida para este gas que, por lo tanto, se expande y proporciona empuje.
La reacción química requiere un combustible, como hidrógeno líquido o aluminio en polvo, y un oxidante (un agente que produce reacciones químicas) como el oxígeno. Hay muchas otras variables que, en última instancia, también determinan la eficiencia de un motor de cohete, y los científicos e ingenieros siempre buscan obtener más empuje y consumo de combustible de un diseño dado.
Recientemente, la empresa privada SpaceX realizó vuelos de prueba de su prototipo de lanzador Starship. Este vehículo utiliza un «motor de combustión por etapas (FFSC)», el Raptor, que quema metano como combustible y oxígeno como oxidante. Dichos modelos fueron probados por los rusos en la década de 1960 y el gobierno de los Estados Unidos en la década de 2000, pero ninguno ha volado todavía al espacio. Los motores son mucho más eficientes en combustible y pueden generar una relación empuje / peso mucho más alta que los modelos tradicionales.
Cohetes de fisión térmica
El núcleo de un átomo está formado por partículas subatómicas llamadas protones y neutrones. Estos determinan la masa de un elemento: cuantos más protones y neutrones hay, más pesado es. Algunos núcleos atómicos son inestables y pueden dividirse en varios núcleos más pequeños cuando se bombardean con neutrones. Este es el proceso de fisión nuclear y puede liberar una gran cantidad de energía. A medida que los núcleos se desintegran, también liberan más neutrones que rompen más átomos, lo que produce una reacción en cadena.
En un cohete térmico de fisión nuclear, un propulsor, como el hidrógeno, se calienta mediante fisión nuclear a altas temperaturas, creando un gas a alta presión en la cámara del reactor. Al igual que con los cohetes químicos, estos solo pueden escapar a través de la boquilla del cohete, produciendo nuevamente empuje. No se prevé que los cohetes de fisión nuclear produzcan el tipo de empuje necesario para elevar grandes cargas útiles desde la superficie de la Tierra al espacio. Sin embargo, una vez en el espacio, son mucho más eficientes que los cohetes químicos: para una masa determinada de propulsor, pueden acelerar una nave espacial a velocidades mucho más altas.
Los cohetes de fisión nuclear nunca han volado al espacio, pero se han probado en tierra. Deberían poder acortar los tiempos de vuelo entre la Tierra y Marte de unos siete meses a unos tres meses para futuras misiones tripuladas. Sin embargo, los inconvenientes obvios incluyen la generación de desechos radiactivos y la posibilidad de un lanzamiento fallido que podría resultar en la dispersión de material radiactivo en un área grande.
Un gran desafío de ingeniería es miniaturizar un reactor lo suficiente como para que quepa en una nave espacial. Ya existe una industria en auge en la producción de reactores de fisión compactos, incluido el desarrollo de un reactor de fisión que es más pequeño que un humano adulto.
Propulsión eléctrica
Un elemento básico de la ciencia ficción, los verdaderos lectores iónicos generan partículas cargadas (ionización), las aceleran mediante campos eléctricos y luego las activan con un propulsor. El propulsor es un gas como el xenón, un elemento bastante pesado que se puede cargar eléctricamente fácilmente.
A medida que los átomos cargados de xenón se aceleran fuera del propulsor, transfieren una cantidad muy pequeña de impulso (el producto de la masa y la velocidad) a la nave espacial, proporcionando un empuje suave. Aunque lentos, los impulsores de iones se encuentran entre los métodos más eficientes en combustible para propulsar naves espaciales, lo que podría llevarnos más lejos. Los impulsores iónicos se utilizan comúnmente para el control de actitud (cambiar la dirección en la que se dirige una nave espacial) y se han considerado para desorbitar satélites antiguos.
Los motores de iones actuales funcionan con células solares, lo que los hace efectivamente alimentados por energía solar y requieren muy poco propulsor. Fueron utilizados para la misión SMART-1 de Esa a la luna y la misión Bepi-Colombo en ruta a Mercurio. La NASA está desarrollando actualmente un sistema de propulsión eléctrica de alta potencia para el Lunar Gateway, un puesto de avanzada que orbitará la Luna.
Velas solares
Si bien la propulsión generalmente requiere un propulsor de alguna descripción, un método más ecológico que se basa únicamente en la luz solar.
Las velas se basan en la propiedad física de conservación del impulso. En la Tierra, estamos acostumbrados a ver este impulso como una presión dinámica de partículas de aire que soplan a través de una mancha durante la navegación, impulsando un barco hacia adelante. La luz está formada por fotones, que no tienen masa, pero tienen impulso y pueden transferirlo a una vela. Dado que las energías de los fotones individuales son muy pequeñas, se requiere un tamaño de vela extremadamente grande para cualquier aceleración apreciable.
La ganancia de velocidad también dependerá de la distancia al Sol. En la Tierra, la potencia recibida de la luz solar es de aproximadamente 1,3 kW por metro cuadrado. Si tuviéramos un ala del tamaño de un campo de fútbol, eso equivaldría a 9,3 MW, lo que proporcionaría una aceleración muy baja incluso para un objeto de baja masa.
Las velas solares han sido probadas por la nave espacial japonesa IKAROS, que voló con éxito a través de Venus, y la Sociedad Planetaria Lightsail-2, que actualmente se encuentra en órbita alrededor de la Tierra.
Una forma de mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de la vela es utilizar un láser para impulsar la nave espacial hacia adelante. Los láseres producen haces de fotones muy intensos que pueden dirigirse a una vela para proporcionar una aceleración mucho mayor, pero deberían construirse en órbita terrestre para evitar una pérdida de intensidad en la atmósfera. Los láseres también se han propuesto como una forma de eliminar la basura espacial: la luz láser puede ralentizar un trozo de basura orbital, que luego se saldría de su órbita y se quemaría en la atmósfera.
El desarrollo de cohetes de fisión nuclear puede excitar a algunos y preocupar a otros. Sin embargo, a medida que las empresas privadas y las agencias espaciales nacionales se comprometan cada vez más con una presencia humana sostenible en el espacio, estos medios alternativos de propulsión se volverán más comunes y tendrán el potencial de revolucionar nuestra naciente civilización espacial.
Este artículo de Gareth Dorrian, becario postdoctoral en ciencias espaciales, Universidad de Birmingham e Ian Whittaker, profesor de física, Universidad Nottingham Trent, se vuelve a publicar de The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
