Los motores que conquistan el espacio

Hace poco asistimos a un momento histórico: el lanzamiento de la primera misión espacial tripulada estadounidense desde 2011.

Si bien el diseño futurista del interior de la Crew Dragon recuerda a series de ciencia ficción como The Expanse, los motores cohete del lanzador Falcon 9 de SpaceX utilizan esencialmente la misma tecnología que los de los del R-7 que puso en órbita el primer Sputnik en 1957.

La tecnología que propulsa los lanzadores

En una misión espacial confluyen innumerables tecnologías de altísima complejidad y criticidad, pero sin duda la fundamental es la propulsión cohete. Resulta llamativo que, si bien se han ido introduciendo mejoras, los lanzadores y sus prestaciones no han cambiado sustancialmente desde los inicios de la era espacial, hace ya más de 60 años. ¿Por qué?

Para poner en órbita un vehículo es necesario, en primer lugar, ascender a través de la atmósfera venciendo la gravedad terrestre y después, alcanzar 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.

Pero también es importante 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 mayoría de lanzadores de combustible líquido, como 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 como el Ariane 5, el futuro Ariane 6 y el SLS sustituyen el keroseno por hidrógeno líquido y llegan a los 4,5 km/s. Aunque esta cifra parece elevada, es mucho más baja de lo deseable. Por ello, los lanzadores son mayormente un tanque combustible volador. Solo una pequeña parte de su masa corresponde a la carga de pago útil.

Es muy improbable que la propulsión química supere alguna vez este rango de valores, ya 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, se trata de ejecutar correcciones y cambios de órbita, para lo que 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.

Desde mediados del siglo XX se ha desarrollado una forma de propulsión espacial alternativa a la química, conocida como propulsión eléctrica o por plasma. Estos motores, en lugar de depender de la energía de un combustible, utilizan potencia eléctrica para acelerar directamente el propulsante. De esta forma es posible superar con creces el impulso específico de los motores químicos, llegando fácilmente 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 después acelerarlo con campos eléctricos y magnéticos. En este principio se basan una gran variedad de tecnologías diferentes, como por ejemplo los exitosos motores de efecto Hall y los motores de iones.

A día de hoy, más del 40 % de los satélites geostacionarios utiliza alguno de esos motores para ahorrar cientos de kilogramos de combustible y extender su vida útil, especialmente los motores Hall. También se usan en órbita baja y en misiones interplanetarias como Bepi-Colombo, Dawn, o Hayabusa, en las que los motores iónicos ofrecen un excepcional desempeño.

Pese a sus grandes ventajas, la propulsión eléctrica también 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 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 regresar a la Luna y colonizar Marte.

Tanto Boeing como Airbus han desarrollado en los últimos años plataformas satelitales all-electric que realizan todas las fases de la misión espacial con estas tecnologías.

Por último, un caso de uso que ha disparado y abaratado notablemente la producción de motores de plasma son los proyectos de megaconstelaciones.

La propulsión eléctrica es un campo de investigación muy activo. Algunos de los retos más acuciantes están relacionados con comprender y controlar la física de la turbulencia de los plasmas magnetizados, responsable de una pérdida importante de eficiencia y la erosión de las paredes y electrodos de los motores.

Dichos problemas son bien conocidos en la fusión nuclear, donde la turbulencia afecta directamente el funcionamiento de los reactores. Iniciativas como el proyecto Prometeo en la Comunidad de Madrid tratan encontrar sinergias entre estos dos campos de la física de plasmas para resolver este problema transversal.

En Europa, el desarrollo de los motores Hall está liderado por proyectos del programa H2020 como Cheops, dirigido a mejorar el confinamiento magnético de estos motores y su escalado a muy grandes y muy pequeñas potencias.

Por último, en la frontera del conocimiento encontramos nuevas tecnologías con mecanismos innovadores de generación y aceleración del plasma que prometen grandes ventajas.

En este ámbito destacan los motores sin electrodos con toberas magnéticas, como el motor Helicón, el motor VASIMR o el motor ECR. Estos dispositivos prometen una gran durabilidad y podrán operar con prácticamente cualquier sustancia como propulsante. Permitirán así reducir el elevado coste de los motores que utilizan xenón (un gas muy caro) y realizar misiones interplanetarias que requieran reabastecimiento in situ.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.