Ciencia y tecnología a tu alcance

viernes, 31 de marzo de 2017

¿Pudo funcionar realmente el motor de Virgilio Leret?





Recientemente en los medios [4] se ha recordado la figura de Virgilio Leret, militar e ingeniero español conocido por ser probablemente la primera víctima de la guerra civil española, pues fue fusilado en Melilla nada más estallar la insurrección. También es conocido por haber patentado  en julio de 1935 un motor a reacción en la misma época en que Sir Frank Whitlle y Hans Von Ohain estaban desarrollando sus modelos de reactores. Realmente en 1913  René Lorin   propuso una primera solución a la propulsión a chorro, con el "estatorreactor". Se trata de un motor muy sencillo, prácticamente sin piezas, pero que necesita que el aire entre en el motor a gran velocidad, como minimo a 300 Km/,  para que el aire se comprima lo suficiente y así generar la combustion y el empuje. SI queremos que nuestro motor comprima el aire a menores velocidades o con el avión parado hay que emplear medios mecánicos. Henri Coanda ya ideó en 1910 un sistema de compresión del aire, empleando un motor de pistón, sistema que empleó el avión italiano "campini".  La solución de los motores de Whittle como el de Von Ohain fue mediante compresión de aire "centrifuga", consistente en un disco que lograba empujar el aire a la periferia del disco y derivarlo al interior del motor, así se lograba comprimir el aire hasta cuatro veces su presión de entrada.

La idea de Leret consiste en un ingenioso sistema en el que la etapa de compresión es mixta, es decir compresión centrífuga  y después  volumétrica. Esto se consigue mediante unos pistones que Leret llama "embolillos" accionado por fuerza centrífuga generada por unas masas circunscritas a un rotor coaxial con el eje del compresor centrífugo[2].  Este novedoso sistema daba al invento del ingeniero español unas prestaciones que mejoraban a los otros, pues lograba una relación de compresión de 200 a 1.
Desgraciadamente este invento genial no pudo desarrollarse y cayó en el olvido hasta hace no mucho, gracias al empeño de la viuda de Leret, Carlota O´Neil, quien custodio los planos del diseño de su marido, y actualmente al de la hija de Leret [6], se ha podido rescatar el legado del gran ingeniero y militar.  Como colofón de esta iniciativa, y gracias a la participación del Ejército del Aire, en abril de 2.014  se termino una maqueta del mototurbocompresor que actualmente se puede ver en el Museo del Aire, en Cuatro Vientos (Madrid) [6][3].
Maqueta del mototurbocompresor de Virgilio Leret (fuente:Ejercito del Aire)


Hay medios que afirman que incluso el diseño del motor de Leret pudo servir para el desarrollo del reactor en Reino Unido [1][4]. Esto se justifica porque Carota O´Neill, tras salir de la cárcel donde estaba recluida y encontrar los planos del mototurbocompresor entre los efectos personales de su marido, decidió entregar una copia al agregado de la embajada Británica, quien los envío a Inglaterra.

Tratando de responder a esta pregunta de que si realmente estos planos llegaron ser consultados por ingenieros británicos, y éstos sirvieron para mejorar los problemas con los que se enfrentaba en esos momentos Whittle, solo podemos conjeturar que es bastante improbable, pues el modelo de Leret es diferente a la solución aplicada en el motor británico, por lo cual solo se nos ocurre pensar que fue archivado o simplemente olvidado en algún cajón. Solo sabemos que el agregado que se llevó los planos murió en la II Guerra Mundial y no se conoce qué es lo que hizo con éstos.
Ante la cuestión de que si, más que una simple idea que Leret concibió mientras estaba recluido,[5]  se trataba de un diseño factible, el ingeniero aeronáutico Martin Cuesta Álvarez estudió en el año 2.002 la documentación de dicha patente[2], concluyendo que no sólo era un planteamiento correcto y un diseño viable, sino que se trataba de un invento “verdaderamente ingenioso”[6]

Resultado de imagen de planos del motor de virgilio leret
Vista en sección del motor de Virgilio Leret, realizada por Martin Cuesta Álvarez[2]

Vista en seccion del motor de Sir Frank Whittle

Motor HeS3B de Hans Von Ohain

De acuerdo al estudio de Martin Cuesta Álvarez en la revista El Aeroplano, la comparación de los motores daba un empuje de 734 Kg para el motor de Leret frente a los 386 Kg de la patente de Whittle y 500 Kg del motor de Von Ohain. Se trataba por tanto de un motor con unas prestaciones competitivas y a la altura de los otros desarrollos. También sabemos que esta propuesta si captó el interés de las autoridades, pues tal y como cuentan las memorias de Carlota O´Neill, Leret pudo explicar su proyecto de motor al presidente de la Republica, Manuel Azaña, quien se interesó por el proyecto.  Azaña nombró a Leret Jefe de la Escuela de Mecánicos de Cuatro Vientos y en junio de 1.936 se comenzó a construir un prototipo, con el objetivo de probarlo y evaluarlo en los talleres de la Hispano Suiza, y ponerlo en vuelo en septiembre de 1.936. [5][7] Se trataba de un proyecto con toda seguridad secreto, del que no se tiene más testimonio que las memorias de Carlota O´Neill. Solo sabemos que poco después Leret fue destinado a la base de hidros de Melilla.[5] y allí murió tras comenzar la rebelión militar en julio de 1936. La desaparición de Leret provocó el fin del posible desarrollo de este avanzado motor. A pesar de todo, si este si se hubiera seguido adelante, se tendría que enfrentar a no pocas complicaciones, fundamentalmente la económica, dada la importante inversión que supone un desarrollo semejante. Había que tener en cuenta que llevar a cabo este proyecto hubiese implicado construir junto con el prototipo, instalaciones de pruebas donde realizar los ensayos, y nuevos diseños en el caso de necesitar implementar mejoras. Además, un motor así significaba un nuevo tipo de aeronave, un nuevo reto que de haber prosperado el motor hubiese significado también una partida presupuestaria importante. Nos hubieramos encontrado con un caso similar al del HA-300, un reactor avanzado desarrollado en La sevilla de los años 60 pero que tuvo que cancelarse por falta de fondos.
Tres años después de la injusta muerte de Leret, y cinco antes del estallido de la II Guerra mundial, despegó el primer avión propulsado por un motor a reacción, el Heinkel He 178. El modelo británico, el Gloster E.28/39, lo hizo en 1.941. Del genial invento de Leret, solo sabemos que no era una idea descabellada y que de haber culminado el prototipo, pudo haber funcionado. Junto con el autogiro, el motorturbocompresor hubiera significado una importante contribución de España  al desarrollo de la tecnología aeronáutica.


Referencias


[2] Martín Cuesta Álvarez en el número 20 de la revista Aeroplano, año 2002, editada por el Ministerio de Defensa.
[7] Carlota O´Neill Una mujer en la guerra de España. Oberon, 2003
[8] El joven cientifico. El libro de los Jets. SM. 1979
[9] The Jet Engine. RollsRoyce. 1996

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miércoles, 14 de diciembre de 2016

Space Tethers: echando un cable al espacio

La industria aeroespacial contempla diferentes sistemas de propulsión, alternativos a los tradicionales cohetes químicos. Estas propuestas no persiguen desplazar grandes masas, como un gran cohete o una lanzadera espacial. En ocasiones solo es necesario corregir órbitas, o incluso salir de éstas para reentrar sistemas espaciales al final de su vida operativa.  Para ello el empuje necesario no es muy alto, por lo cual se han estudiado tecnologías como es el caso de la propulsión ionica. Entre las varias soluciones estudiadas, existe una muy ingeniosa y “elegante” que aprovecha los campos gravitatorios y electromagnéticos de la tierra para producir una propulsión. El método es tan simple como emplear cables, los denominados en inglés “space tehters “
Historia de los TehtersImagen: Dan Holland, NASA/Marshall Space Flight Center.
Entendemos por space tehter (literalmente “cuerda”) como un cable de gran longitud empleado para conectar artefactos espaciales que orbitan alrededor de un cuerpo central (como la Tierra).  El tehter, al proporcionar una conexión mecánica entre estos dos objetos espaciales, permite la transferencia de energía e impulso de un objeto al otro mediante gradiente gravitatoria. Esto permite maniobras como el control de actitud de una astronave, modificar órbitas o mantener la posición relativa de los componentes de grandes sistemas de astronaves dispersos. Un caso de aplicacion es el de cambio de impulso entre objetos en el espacio, permitiendo al sistema tether transferir naves espaciales de una órbita a otra. Este concepto  fue propuesto por la NASA en una serie de artículos destinados a animar a investigadores, contratistas y empresas a desarrollar esta tecnología, consistente en emplear un cable rotativo “anclado” en el espacio empleada para capturar etapas superiores de cohetes o carga útil e imprimirles impulso orbital para elevarlos en órbita. Asimismo, los tethers también pueden interactuar con el campo magnético y con el plasma ionosférico de la Tierra para generar empuje o fuerzas de resistencia sin consumir combustible. Estos tehters electrodinámicos  emplean por tanto una combinación de fuerzas gravitatorias y electromagnéticas, electrones, la ionosfera y sus diferencias de potencial alrededor del planeta Tierra para obtener  energía o propulsión sin consumo de combustible.  Los tethers electrodinámicos pueden emplear igualmante  la energía solar: en este sentido, se estudian  configuraciones de tether que interaccionan con el viento solar como medio de propulsión espacial de espacio profundo. Otra interesante aplicacion de esta tecnología es investigación espacial, proporcionando un mecanismo para vuelos de formación de precisión, observaciones científicas fijas multipunto, así como para alcanzar regiones de la atmosfera superior  inaccesibles.



Los tethers se emplearon por primera vez en 1.966, en las misiones Gemini 11 y Gemini 12. El objetivo de cada uno de esás era cel acoplamiento  con una etapa  Agena, que previamente había sido lanzada y puesta en órbita. Como parte de la misión, se conectaron mediante un cable de 30 m la Gemini y la Agena, generando un mili-g de gravedad artificial. La misión demostró por tanto que los tehters podían emplearse para generar gravedad artificial o estabilizar las astronaves. Treinta años más tarde se llevó a cabo un experimento en la lanzadera espacial desplegando desde ésta  un cable conductor de 30 metros. El cable, al arrastrarse a través del campo magnético de la Tierra durante la órbita del Shuttle, para generar corriente eléctrica, formando un circuito eléctrico con la ionosfera. se generó una La corriente de 100 watios pero a 3500 voltios, lo que que originó la fusión del tehter, fabricado con una trenza de cobre devanada alrededor de una cuerda de nylon, desprendiendose finalmente.


Desde entonces los tethers se han empleado tanto en misiones operativas como en otras destinadas para ensayar conceptos y aplicaciones de esta tecnología. podemos destacar las misiones la YES-2 en 2007, que desplegó el tehter más largo (!37 km!).  Un proyecto muy interesante  consiste en reducir la “basura espacial”, ayudando a que los satélites al final de su vida operativa desciendan de su órbita para desintegrarse en la atmósfera. Los tehters, pueden realizar esta maniobra sin necesidad de emplear los sitemas tradicionales, es decir, cohetes de control orbital.  Esta es la propuesta del proyecto BETs, liderado por el profesor Juan R. Sanmartin, de la Universidad Politécnica de Madrid y financiado por la Comisión Europea, aúna especialistas de diversas instituciones como el DLR alemán o en ONERA francés en ciencia de materiales, física de plasma, dinámica orbital, mecánica, etc. La idea propuesta por BETs consiste en desplegar el cable conectado al satélite, que, al interactuar con el campo magnético de la Tierra, se genera una fuerza capaz de modificar la órbita del satélite.  Un sistema similar al BETS , en este caso para pequeños satélites (Cubesats, MicroSats o NanoSats), lo ha desarrollado la empresa Tethers unlimited. En este caso, se despliega una cinta conductora que genera una fuerza electrodinámica que permite la deorbitacion del microsatelite.

Podria decirse que los tehters son un medio de propulsión espacial,  ya que  permiten la transferencia de energía e impulsar impulsar satélites, estaciones espaciales y quizás naves espaciales con la ventaja de no consumir combustible. A pesar de que no pueden competir con otro medio propulsivo, tienen su clara cabida en la industria espacial, siendo  como vemos una tecnología importante  con múltiples aplicaciones. Son un sistema de muy bajo coste y con interesantes posibilidades.

Referencias

[1] Chen, Yi; Huang, Rui; Ren, Xianlin; He, Liping; He, Ye (2013). "History of the Tether Concept and Tether Missions: A Review". ISRN Astronomy and Astrophysics. 2013: 1–7. doi:10.1155/2013/502973. Retrieved 7 March 2014.


[4] Sanmartín, J. R., Charro, M., Chen, X., Lorenzini, E., Colombatti, G., Zanutto, D., Roussel, J. F., Sarrailh P., Williams, J. D., Xie, K., Garret, E. M., Garcia de Quiros, F., Roemer, O., Rosta, Zoest, T., R., Lasa, J., Marcos, J., A universal system to de-orbit satellites at end of life, The Journal of Space Technology and Science, 1, 26, 2012.


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miércoles, 14 de septiembre de 2016

Asteroides: pequeños cuerpos celestes que despiertan un gran interés


El pasado 4 de septiembre Bryan May, guitarrista del grupo Queen y doctor en astrofísica, anunció que la unión astronómica internacional había designado al asteroide 17473 con el nombre de FreddieMercury. Se trata de un asteroide descubierto en 1.991, el mismo año del fallecimiento del vocalista de Queen. Cuatro días más tarde, la NASA anuncio el despegue del cohete Atlas V que transporta la sonda OSIRIS-REX. Su misión es viajar hacia el asteroide Bennu, con el fin de estudiar su composición, y traer de vuelta a la tierra unas muestras, allá para 2023. Los datos obtenidos de OSIRIS-REX proporcionaran una información de gran valor para estudiar el origen del sistema solar.

Ambas noticias ponen de nuevo a estos “objetos menores” del sistema solar en el punto de mira de la actualidad. Estos cuerpos celestes que orbitan entre Marte y Júpiter, y cuyo tamaño oscila entre los 35 a los 1.000 kilómetros. Desde que se planteó teóricamente su existencia en el siglo XVIII hasta hoy se han identificado unos 20.000(El astrónomo español José Comás Solá descubrió once asteroides, como el 804 Hispania, el 925 Alphonsina o el 945 Barcelona, gracias a  un procedimiento fotográfico ideado por él), y cuya masa total es únicamente 2.500 veces inferior a la del planeta Tierra.

Hay asteroides que orbitan alrededor de otros mayores, y asteroides que alcanzaron la órbita de planetas, como Deimos y Phobos, para convertirse en satélites. Su composición es igualmente variada, desde materiales metálicos como el hierro o el níquel, hasta los “condritos carbonáceos”, compuestos por la materia primigenia del sistema solar, como es el caso de Bennu, objetivo de la OSIRIS-REX. Esta misión de la NASA continúa los proyectos científicos destinados a conocer mejor esta región del sistema solar. Desde 1.971 hasta hoy, las sondas interplanetarias han fotografiado, aterrizado y finalmente extraído muestras de los asteroides. Tres cuartas partes de ellos se componen los “condritos carbonáceos” anteriormente mencionados, lo que explica el enorme interés de los científicos planetarios en estudiar su composición.

La minería de los asteroides

También mencionamos otro tipo de asteroides, los “M” o compuestos de metales que son objeto de interés, aunque no por parte de los científicos, sino como un posible recurso de explotación. Estos asteroides contienen metales como el hierro, níquel,  titanio o incluso oro y platino. Se especula con  que un solo asteroide de 500 metros podría contener el equivalente a todo el platino conseguido en las minas de la Tierra durante toda la Historia.” “otras estimaciones realizadas sostienen que es posible obtener un beneficio potencial de 500.000 millones de dólares, con un asteroide de 50 metros.
Esto ha desatado una “fiebre del oro espacial” y la industria de EEUU ya se ha puesto “en ruta”, con empresas como DeepSpace o Planetary Resources. La propuesta de DeepSpace Industries es la de emplear sondas espaciales en los asteroides denominados “cercanos a la Tierra, es decir, cuya órbita (que, en algún momento de sus órbitas, pasan a menos de 0,3 Unidades Astronómicas de nosotros, o lo que es lo mismo, a menos de unos 40 millones de km). Además de metales, el descubrimiento de hielo en Ceres en 2005 también brinda otra oportunidad en la explotación de recursos de los asteroides. La disponibilidad de agua en el espacio permite entre otras posibilidades, la de producir hidrógeno y oxígeno para emplearlo como propergoles. Esta es la idea que plantea Planetary Resources, una iniciativa promovida en 2012 entre otros por el director de cine James Cameron o el fundador de Google Larry Page. La propuesta de Planetary Resources tiene sus detractores, quienes argumentan que no es rentable, basándose en el hecho de que el coste de traer a la Tierra 60 gramos de asteroide a nuestro planeta por la misión OSIRIS-REX asciende a mil millones de dólares. Esta explotación de recursos in-situ, beneficiaria el desarrollo de misiones espaciales de gran envergadura, incluso podríamos especular que tripuladas, al permitir obtener recursos valiosos sin necesidad de elevarlos costosamente al espacio.
Para que dichas iniciativas y otras posteriores sean factibles, el coste de su extracción y proceso en el espacio debe es menor que su envío desde nuestro planeta. Algo que hoy en día, no sabemos.
La viabilidad de la minería espacial es igualmente argumentada desde la perspectiva disponibilidad de los recursos, es decir, que finalmente no podamos disponer de esta materia prima al agotarse en la Tierra. Determinadas fuentes argumentan que metales básicos para la industria, tales como el plomo, el estaño, el zinc o incluso la plata podrían agotarse dentro de seis décadas.  Entonces, la cuestión inmediata es cómo extraer dichos minerales de una forma lo más económica posible. Se puede descartar casi inmediatamente esa imagen de los “mineros espaciales” ataviados con sus trajes presurizados y taladrando en la superficie de uno de esos pequeños asteroides. Es evidente que estos medios de extracción minera deben ser llevados a cabo por sistemas semiautomáticos o totalmente autónomos. Hay que tener igualmente en cuenta cuestiones como las posibilidades de colisión de fragmentos de otros asteroides o el hecho de que las distancias entre uno y otro son enormes.
Aparte de las técnicas, están las consideraciones legales. El tratado del espacio exterior de 1.967 ya prohíbe que ningún gobierno se apropie de cuerpos celestes. Algo que para los EEUU no es incompatible con la posible explotación o propiedad de los recursos obtenidos por empresas privadas. De acuerdo a esto, en noviembre de 2015 Estados Unidos promulgó la “Ley del Espacio”, en la que se permite la explotación de los asteroides a quienes pueden llevar a cabo estas actividades, no obstante sin que se intente reclamar su soberanía. En Europa, Luxemburgo ha sido la primera nación en presentar una normativa en relación a la explotación de minería espacial que está prevista se promulgue en 2017.

El riesgo de los asteroides

Si la “fiebre del oro espacial” o el interés por saber más sobre el origen de nuestro sistema solar animan a los expertos a fijar su atención hacia los asteroides, existe además. Otra cuestión no menos importante. El incidente de Chelyabinsk (Siberia) en 2013 nos recordó el riesgo real del impacto de cuerpos celestes. Chelyabinsk, con un balance de 1.500 heridos, nos recuerda inmediatamente al incidente de Tunguska, también en Siberia. Hasta hace poco, y por la falta de pruebas fehacientes, se creía que el caso de Tunguska fue causado por el resto de un cometa (recordemos aquel episodio de Cosmos). Sin embargo, ahora se tiene más certeza de que se trató de un “pequeño” asteroide de unos 35m. Su entrada en la atmósfera a gran velocidad e impacto en la Superficie Terreste tuvieron un efecto similar a una explosión nuclear, tal y como se indica en algunas fuentes, del orden de 185 veces Hiroshima. Otros cráteres y restos de impactos de cuerpos celestes  demuestran que esto, aunque poco probable, es posible. Asimismo, La teoría que explica el fin de los dinosaurios se basa en la caída de un enorme meteorito de 10 km de diámetro, que produjo un efecto equivalente al “invierno nuclear”. Los científicos estiman una probabilidad de que ocurra un impacto como el de Tunguska una vez cada 300 años. Aunque, de acuerdo aún queda mucho tiempo, contando desde dicho suceso, ocurrido un 30 de junio de 1.908, celebridades como el director de cine Grigorij Richters y el mismo Brian May buscan concienciar de la importancia de esto, y para ello conmemoran la fecha del impacto de Tunguska como el día del asteroide.

Centinelas del cielo

Con este fin, existen actualmente proyectos destinados a la identificación y control de los cuerpos celestes, principalmente los denominados potencialmente peligrosos (PHA en inglés). El observatorio astronómico de La Sagra, en la provincia de Granada, participa en esta actividad, como miembro de la Spaceguard Foundation. Igualmente, podemos mencionar el proyecto Stardust, de la Agencia Espacial Europea, saí como la Red Internacional de Alerta de Asteroides. Esta última, se trata de una iniciativa suscrita por agencias espaciales de todo el mundo, así como astrónomos profesionales y aficionados que se dedican a identificar y controlar objetos cercanos a la Tierra.


Referencias

[1] Freddie Mercury, de estrella a asteroide

[2] Página de la NASA de la misión OSIRIS-REX

[3] Cometas y asteroides Pedro José Gutiérrez Buenestado, 2012.  publicaciones CSIC

[4] La minería espacial, un mercado en busca de regulación

[5] Estalla la fiebre del oro espacial

[6] 10 impactos de asteroides contra la Tierra

[7] Asteroides, ¿Cuál es el riesgo?

[8] Proponen el "dia del asteroide" para evitar el fin del mundo

[9] La “Asteroid Impact Mission”

[10] El Proyecto stardust






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