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miércoles, 22 de junio de 2016

CÓMO FUNCIONAN LOS MOTORES ESPACIALES DEL FUTURO


Mientras estado actual de la industria espacial se centra en obtener sistemas de bajo coste y más eficientes, universidades y centros de investigación espacial aúnen esfuerzos para desarrollar nuevos sistemas de propulsión. Los clásicos cohetes químicos, que facilitaron la salida del hombre al espacio, se han quedado cortos para estos proyectos futuros, tales como misiones tripuladas de larga duración.

En el caso de misiones tripuladas de larga distancia, se plantea la necesidad de propulsores más rápidos y eficientes. Reducir el tiempo del trayecto es vital, por cuestiones tales como reducir la cantidad de elementos de soporte vital, provisiones, etc, así como reducir la probabilidad de que suceda algún incidente durante el vuelo o riesgos como la exposición de los astronautas a la radiación (cuanto menos tiempo en un entorno hostil, como es el espacio, mejor).
Si pensamos en el proyecto de un viaje al planeta Marte, con la tecnología actual el trayecto duraría en torno a los 8 o 9 meses. Tal es como lo estimó por primera vez Werner Von Braun en sus libros DasMarsProject y la conquista del espacio. Reducir este tiempo se ha quedado desde entonces como algo difícil de alcanzar, si no es empleando otras soluciones que, como veremos más adelante, permitirían acortar este tiempo a 39 semanas.
Recordemos, el motor cohete se basa en el principio de acción y reacción, cuando se expulsa una masa fluida a gran velocidad que produce una reacción en forma de empuje. Este principio es igual tanto para los motores a reacción de los aviones como para los motores cohete de cualquier tipo. La diferencia es que en los motores a reacción la combustión se genera empleando aire de la atmosfera y en los cohete de combustible líquido ésta se produce empleando el medio posible “el comburente”, dentro del propio motor.
pruebas de motor cohete (wikipedia)
Estos cohetes que el mismo Von Braun y otros como Robert Goddard desarrollaron a principios del siglo XX se basan en la combustión de componentes químicos, los combustibles, para lograr la salida de gases a gran velocidad y con ello, la deseada fuerza de empuje. Los cohetes químicos se diferencian fundamentalmente en el tipo de combustible, sólido o líquido. Cada uno de ellos posee ventajas e inconvenientes que determinan su uso para cada misión. Mientras que los cohetes de combustible sólido son sistemas muy sencillos y permiten el almacenamiento de éstos durante largos periodos de tiempo, una vez encendidos su ignición no puede controlarse, es decir, si éste se apaga no se puede encender de nuevo, lo que sí es posible con los motores de combustible líquido. Los motores de combustible sólido se emplean en misiles y en cohetes aceleradores, como los “booster” de la Lanzadera Espacial, o el malogrado cohete Ares-1. Por mencionar cohete de combustible líquido, podemos hablar de, como la propia lanzadera espacial, El Ariane o el colosal Saturno V.
Los motores químicos se emplearon en todas las misiones espaciales, tripuladas o no tripuladas, desde el primer ensayo de Robert Goddard hasta los más modernos de SpaceX. Son sistemas probados y que posibilitan estas misiones citadas u otras, tales como la ISS y por ello las empresas privadas apuestan por desarrollar nuevos sistemas de cohete químico capaces de aterrizar de forma automática o reutilizarse, como los de la española PLD space. Sin embargo, como hemos expuesto, el futuro pasa por emplear sistemas de propulsión alternativos, principalmente en el espacio.
Salvando las diferencias del método para lograrlo, la mayoría de los motores espaciales se basan en el principio de acción y reacción al variar la cantidad de movimiento de un fluido. Un concepto curioso es el de la vela solar, que obtiene el empuje capturando los fotones provenientes del sol. Sabiendo que los fotones son partículas sin masa pero con energía, las velas solares pueden aprovecharlos y conseguir cierto empuje.  Esta idea tiene varias décadas y fue probada por Japón en 2010 en el proyecto IKAROS, una misión a Venus  de una nave-cometa de 196 metros cuadrados de vela  acelerada por la radiación del sol. 
 
proyecto IKAROS (wikimedia commons)

El inconveniente principal, aparte del tamaño de las velas necesario, es que a medida que nos alejamos del sol, la densidad de los fotones disminuye y por tanto la eficiencia de la vela. Una solución curiosa es la de lanzar un chorro de fotones hacia la vela, por medio de un rayo láser. Esta es la propuesta del profesor Phillip Lubin y su equipo que desarrollan esta idea. Con este sistema. Lubin asegura que sería posible alcanzar velocidades muy altas, en torno a la cuarta parte de la velocidad de la luz, suficientes para propulsar una nave de 100 kilos a Marte en tres días.

Con mayor interés que las velas solares, los motores iónicos y de plasma gozan de la atención de los investigadores y científicos espaciales. Los motores iónicos se basan fundamentalmente en expulsar a gran velocidad partículas de un combustible previamente ionizadas (que poseen una carga positiva o negativa). Mientras que el motor iónico lo consigue pasando el combustible (que puede ser Xenon) por un cátodo logrando de este modo ionizar sus átomos. Luego éstos son acelerados por un campo eléctrico expulsándolos a gran velocidad, tal y como se explica en este vídeo (en inglés):

Una de sus principales ventajas es el bajo consumo de combustible, con una relación empuje por kilogramo de combustible de 10 veces superior a la de un motor químico. Su eficiencia por tanto es mayor, sin embargo, el empuje que pueden desarrollar actualmente es ínfimo, entre. 1 y 20 miliNewtons (el equivalente a la presión de una hoja de papel en la palma de la mano), con lo que la aceleración no logra en poco tiempo la velocidad necesaria. Si el impulso especifico de un motor químico (es decir, el tiempo que un Kg de masa de combustible tarda en producir un Kg de empuje) es del orden de 270 sgs (la primera etapa del Saturno V), el de un motor iónico (el HIPEP de la NASA) es de 9.600 segundos.
Sin embargo, esto no supone un inconveniente en misiones de larga duración, como es el caso de las misiones interplanetarias. Si un motor iónico puede estar funcionando de forma continua durante años, sería capaz de alcanzar grandes velocidades.  En este sentido,  La NASA demostró en 2012 con el NEXT  (NASA´s Evolutionary Xenon Thruster) que un motor iónico puede funcionar de forma continua durante 43.000 horas (cinco años).

El otro tipo de propulsión eléctrica muy estudiado es el motor de plasma. Dichos sistemas generan el empuje a partir de un plasma, un estado de la materia en la que las partículas se encuentran en estado ionizado, solo que a muy altas temperaturas, en torno a los 50.000 ºC. La producción y el calentamiento de plasma se logra mediante por ondas electromagnéticas. Para contener el plasma, y dado que no existe un material capaz de soportar dichas temperaturas, debe emplearse un campo magnético muy potente que lo contenga sin que el plasma toque el motor. Luego este plasma es acelerado un campo eléctrico de gran potencia, expulsando el chorro a alta velocidad. Por la misma razón de sus altas temperaturas, para la aceleración del plasma no hay elementos en contacto con éste, empleando por lo que el plasma se acelera empleando otros medios, tales como ondas de radiofrecuencia. Esto además constituye una ventaja para la vida del motor al no producirse el desgaste de piezas o elementos del motor en contacto con la masa del combustible, como puede ser el cátodo de los motores iónicos, garantizando así mayor fiabilidad y mayor tiempo de funcionamiento.  En el caso del motor VASIMR, ideado por el ex astronauta Franklin Chang-Diaz, éste emplea ondas electromagnéticas (RF) para crear y energizar el plasma dentro de su núcleo. De esta manera, no tiene electrodos de ningún material en contacto con el plasma caliente.” EL VASIMR (Specific Impulse Magnetoplasma Rocket o Motor de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable) es uno de los proyectos de motor de plasma más ambiciosos, pues su creador, Chang-Diaz, asegura que con su sistema propulsor sería posible viajar de la Tierra a Marte en 39 días:

Como el VASIMR, existen muchos tipos de motor de plasma, como el Helicón, que se está desarrollando en la Universidad Carlos III de Madrid, en un proyecto en el que aúnan esfuerzos el departamento de propulsión de dicha institución y la empresa de ingeniería SENER. Su objetivo es obtener un motor de plasma sencillo Su motor fue ensayado recientemente en el laboratorio de propulsión de la ESA.
Otro concepto de sistema propulsor, bastante controvertido, es el denominado EmDrive. Creado por el ingeniero británico Roger Shawyer en 2006, genera el empuje por medio del rebote de microondas alrededor de una cámara cerrada. La clave de la polémica consiste en que EmDrive no consume ningún combustible convencional para generar el impulso. Simplemente transforma electricidad en impulso moviendo microondas dentro de un tanque. Según la ley de conservación del movimiento, esto es imposible. La cuestión es que investigadores chinos aseguraron en 2008 que habían probado con éxito el EmDrive, al igual que la NASA en 2014.
 
El motor EmDrive

Si esto es realmente cierto, y no depende de las condiciones en las que se ha realizado el ensayo, entre otras posibles explicaciones de estos resultados positivos, el motor EMDrive podría ser un candidato como sistema de propulsión espacial, dependiendo de que la fuente generadora de electricidad sea lo bastante potente, como un generador de energía nuclear.
Este es el  mismo caso del VASIMR, en su versión mayor, la que se presenta como capaz de viajar a Marte en 39 días. Los motores iónicos más sencillos que se han empleado en misiones espaciales emplean energía solar para ionizar y acelerar el gas, pero en el caso de los sistemas de plasma, para generar los campos electromagnéticos así como para acelerar el plasma se requiere una gran cantidad de energía y en este caso la nuclear se plantea como una opción a tener en cuenta.
No es el único caso en que se pensó en motores nucleares para navegar por el espacio. El concepto consiste en que el un reactor de fisión calienta un propelente a temperaturas altísimas para generar el empuje. Aunque hasta la fecha ningún cohete nuclear ha volado,  la NASA estudió el uso de motores de propulsión nuclear, llegando a realizar algunas pruebas en tierra. Recordemos en NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), un programa que alcanzó la madurez suficiente para su integración en una nave espacial, antes de que la administración Nixon abandonara la idea de un vuelo tripulado a Marte se redujera drásticamente financiación del proyecto.
corte esquematico de un motor NERVA (wikimedia commons)

Hemos visto que se están buscando medios alternativos para la viajar al espacio, sobre todo ante el reto de viajes tripulados interplanetarios. La cuestión es que los sistemas tradicionales de propulsión química siguen aún siendo la única alternativa para escapar de la gravedad terrestre. Motores iónicos, de plasma o velas solares tiene cabida únicamente en el espacio.  De los muy sencillos motores cohete de combustible sólido, nos enfrentamos a diseños complejos y no tan fáciles de ensayar en el medio terrestre como los  motores de plasma. A pesar de las dificultades que se presentan estos nuevos conceptos de propulsores, son la clave para que demos el salto definitivo hacia el espacio, para “salir de la cuna” como dijo el padre de la Astronautica, Konstantin Tsiolkowsy.



Referencias



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