En los motores de cohetes se utilizan diferentes sustancias químicas dependiendo del tipo de motor y su propósito. Concretamente, se eligen en función de varios factores, incluidos la eficiencia, la densidad de energía, la facilidad de manejo, los requisitos de la misión y las propiedades de combustión. La combinación correcta de oxidante y combustible es crucial para la eficacia y la seguridad del motor de cohete.
Oxidantes
Una de ellas es el oxígeno líquido. El oxígeno es uno de los oxidantes más comunes debido a su alta densidad de energía y su capacidad para liberar una gran cantidad de energía al reaccionar con combustibles. Otro oxidante habitual es el tetraóxido de dinitrógeno (N2O4), que es un oxidante hipergólico que se enciende espontáneamente al contacto con ciertos combustibles, lo que simplifica el diseño del motor y la operación del cohete. Se utiliza en motores de maniobra y en vehículos de lanzamiento. Un tercer es el peróxido de hidrógeno (H2O2), que puede descomponerse para producir vapor de agua y oxígeno, lo que lo hace útil tanto en sistemas monopropelentes como bipropelentes (ver más abajo).
Combustibles
Como combustibles se suelen usar hidrógeno líquido, queroseno, hidrazina o metano líquido. El hidrógeno líquido es muy eficiente como combustible debido a su alta energía específica, lo que lo hace ideal para misiones que requieren mucha energía, como el envío de cargas útiles pesadas al espacio. El queroseno (específicamente el RP-1) es un combustible de hidrocarburo que es menos criogénico que el hidrógeno líquido y es más fácil de manejar. Es utilizado en muchos cohetes de primera etapa. La hidrazina (N2H4) y sus derivados (monometilhidrazina (MMH), dimetilhidrazina asimétrica (UDMH)) son hipergólicos y se encienden espontáneamente al contacto con oxidantes como el N2O4, lo que es ventajoso para sistemas de propulsión de precisión y maniobra en el espacio. El metano líquido es un combustible que está ganando popularidad debido a su alta eficiencia y poca formación de hollín (además, eventualmente podría producirse en planetas como Marte).
Monopropelentes y bipropelentes
Hay dos tipos de sistemas de propulsión: el monopropelente y el bipropelente.
Un sistema bipropelente utiliza dos componentes separados: un combustible y un oxidante, que se mezclan y queman para producir gas caliente y generar empuje. Sin embargo, el sistema monopropelente consiste en un solo tipo de propulsor que se descompone catalítica o térmicamente para producir gas caliente y generar empuje.
Por ejemplo, un sistema monopropelente puede estar constituido por hidrazina que se almacena en un tanque y se inyecta en una cámara de reacción donde pasa a través de un catalizador (generalmente de óxido de iridio). La descomposición del propulsor produce gases calientes (en este caso nitrógeno y amoníaco) que se expanden a través de una tobera para generar empuje. La preferencia por la hidrazina se debe a su fiabilidad y facilidad de descomposición catalítica.
Como ventajas de este tipo de sistemas, el diseño es más sencillo porque solo requiere un tanque y un sistema de inyección. Consecuentemente, menos componentes y reacciones más controlables lo hacen más fiable. Además, no requiere un sistema de encendido complejo; la descomposición catalítica es suficiente para iniciar la reacción.
Ahora bien, generalmente menos eficiente en términos de impulso específico que los sistemas bipropelentes, por lo que solo son adecuados para maniobras pequeñas y no para propulsión principal. Por ejemplo, son muy útiles en satélites y sondas espaciales.
En cuanto a los sistemas bipropelentes, usan una pareja de propulsores: el combustible (como queroseno, hidrógeno o hidrazina) y el oxidante (como oxígeno líquido o tetraóxido de dinitrógeno. Los dos propulsores se almacenan en tanques separados y se se inyectan en una cámara de combustión donde se mezclan y se queman para producir gases calientes. Estos se expanden a través de una tobera para generar empuje.
El sistema tiene mayor impulso específico que el monopropelente debido a la energía liberada en la combustión de dos componentes, por lo que es capaz de generar mayor empuje, siendo adecuado para etapas principales de cohetes y grandes maniobras. Además, puede ser ajustado para optimizar el rendimiento a diferentes altitudes y misiones.
Sin embargo, el diseño más complejo debido a la necesidad de dos sistemas de almacenamiento, manejo e inyección. La necesidad de manejar dos propulsores reactivos acarrea un mayor riesgo de fallo. También requiere sistemas de encendido y control más sofisticados.
Un ejemplo de sistema bipropelente efectivo es el constituido por queroseno refinado y oxígeno líquido.
Propulsores típicos de cohetes actuales
1. Oxígeno líquido y queroseno
– Cohetes que los usan: Falcon 9 (SpaceX), Soyuz (Rusia), Atlas V (Estados Unidos).
– Uso: primera etapa y a veces en etapas superiores.
– Ventajas: esta combinación es fiable, menos costosa y proporciona un buen equilibrio entre densidad y rendimiento específico.
2. Oxígeno líquido e hidrógeno líquido
– Cohetes que los usan: Delta IV (Estados Unidos), Ariane 5 (Europa), SLS (Space Launch System, NASA).
– Uso: en las etapas superiores y en lanzadores pesados.
– Ventajas: esta combinación proporciona el impulso específico más alto, lo que es ideal para misiones que requieren llevar grandes cargas útiles al espacio.
3. Oxígeno líquido y metano líquido
– Cohetes que los usan: Starship (SpaceX), Vulcan Centaur (United Launch Alliance).
– Uso: tanto en etapas principales como superiores.
– Ventajas: el metano es más eficiente que el queroseno y más fácil de manejar que el hidrógeno. También es adecuado para misiones de larga duración debido a su estabilidad y menor riesgo de formación de hollín.
4. Tetraóxido de dinitrógeno y derivados de hidrazina (monometilhidrazina, dimetilhidrazina asimétrica)
– Cohetes que los usan: Antares (Northrop Grumman), Long March 2F (China).
– Uso: Generalmente en etapas superiores y sistemas de propulsión de vehículos espaciales.
– Ventajas: Son hipergólicos, lo que significa que se encienden espontáneamente al contacto, simplificando el diseño del motor y permitiendo encendidos múltiples.
5. Hidrazina (N2H4) y derivados (monometilhidrazina, dimetilhidrazina asimétrica)
– Uso: propulsores de maniobra y sistemas de control de actitud en satélites y naves espaciales.
– Ventajas: proporciona un encendido fiable y es capaz de múltiples encendidos en el vacío del espacio.
6. Peróxido de hidrógeno (H2O2)
– Uso: principalmente en aplicaciones más pequeñas y sistemas de propulsión de satélites.
– Ventajas: es un oxidante versátil y puede ser utilizado tanto en sistemas monopropelentes como bipropelentes.
Métodos de propulsión del futuro
Hay varios propulsores que están siendo investigados y desarrollados para su uso en cohetes y sistemas de propulsión espacial. Estos incluyen tanto nuevos tipos de propulsores químicos como tecnologías de propulsión avanzadas que no se basan en reacciones químicas tradicionales.
Hablamos, por ejemplo, de la propulsión nuclear térmica, basada en un reactor nuclear para calentar un propulsor (generalmente hidrógeno) que luego se expulsa a alta velocidad para generar empuje. Tiene potencial para proporcionar un impulso específico mucho más alto que los propulsores químicos tradicionales, lo que podría reducir significativamente los tiempos de viaje a destinos como Marte. La NASA y DARPA están trabajando en el programa DRACO para desarrollar un demostrador de propulsión térmica nuclear.
Otra estrategia es la propulsión nuclear eléctrica, que utilizaría un reactor nuclear para generar electricidad que luego alimentaría motores de iones u otros sistemas de propulsión eléctrica. Como ventajas tendríamos una alta eficiencia y capacidad para operar durante largos períodos, por lo que sería ideal para misiones de larga duración en el espacio profundo. La NASA y otras agencias están investigando la viabilidad y el diseño de estos sistemas.
Los motores de iones y la propulsión eléctrica avanzada son otras vías. Se trata de utilizar campos eléctricos o magnéticos para acelerar iones (generalmente xenón) a altas velocidades, creando un empuje eficiente. Son altamente eficientes en términos de impulso específico, aunque generan un empuje relativamente bajo, por lo que serían adecuados para misiones prolongadas y de baja aceleración. El motor de iones NEXT de la NASA y el motor de iones de alta potencia de la ESA son ejemplos.
La propulsión por plasma (VASMIR, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) consistiría en la utilización de ondas de radio para ionizar y calentar un gas (como argón o hidrógeno) y luego acelerarlo mediante campos magnéticos. Es un método de alta eficiencia y capacidad para ajustar el impulso específico en vuelo, lo que permite una mayor flexibilidad de misión. La empresa Ad Astra Rocket Company está desarrollando el VASMIR y ha realizado pruebas en la Tierra.
La propulsión solar térmica utilizaría la energía solar concentrada para calentar un propulsor (como hidrógeno) que luego se expulsaría para generar empuje. No se requeriría llevar oxidante a bordo, lo que reduciría la masa total del vehículo. Hay investigaciones académicas y estudios de viabilidad están en curso para evaluar su uso en futuras misiones espaciales.
La propulsión por microondas y láser usaría energía dirigida desde una fuente externa (como una estación en la Tierra o una nave espacial) para calentar un propulsor o para proporcionar energía a un sistema de propulsión. Permitiría una reducción significativa de la masa del vehículo al no necesitar llevar la fuente de energía a bordo. Se están explorando conceptos y realizando pruebas a pequeña escala por diversas agencias y empresas.
Y ya más en el terreno de la ciencia ficción podríamos considerar la propulsión de fusión, que utilizaría reacciones de fusión nuclear para generar energía y calor. Tendría potencial para proporcionar una cantidad de energía extremadamente alta, reduciendo drásticamente los tiempos de viaje en el espacio profundo, pero todavía está en fases conceptuales y de investigación debido a los desafíos técnicos.
Estos proyectos y tecnologías representan el futuro de la propulsión espacial y podrían transformar la exploración del espacio en las próximas décadas, proporcionando capacidades avanzadas para misiones tripuladas y no tripuladas a destinos lejanos.
