Motores espaciales: los desafíos de los que no se habla

Siempre hemos soñado con el espacio. Los cohetes químicos nos han llevado allí desde el lanzamiento del Sputnik 1 en 1957. Todavía ponen en órbita nuestras cargas y a las personas. Muchos piensan que pequeñas mejoras nos llevarán a Marte y más allá. Esta idea pasa por alto enormes problemas de física e ingeniería. Ignora lo que realmente exige el viaje al espacio profundo.

Nuestros viajes espaciales actuales comienzan y terminan en la Tierra. Los cohetes se lanzan desde lugares como Cabo Cañaveral, Florida, o el Cosmódromo de Baikonur, Kazajistán. La NASA, la ESA y empresas como SpaceX quieren reducir los costes de lanzamiento y mejorar la fiabilidad. Su objetivo principal es llevar naves espaciales y astronautas de forma segura a la órbita terrestre baja. A veces envían sondas a los planetas o alcanzan la órbita lunar.

Todo este sistema depende de los cohetes químicos. Estos cohetes queman propulsores como hidrógeno y oxígeno líquidos, expulsando gases calientes para generar el empuje. Es lo suficientemente potente como para vencer la gravedad de la Tierra. Pero restringe drásticamente las misiones lejos de la Tierra.

Cohetes químicos: un dominio persistente

Solo el Falcon 9 de SpaceX se lanzó 98 veces en 2023. Esto demuestra lo fiables y frecuentes que se han vuelto los cohetes químicos. Muchos piensan que estos motores solo necesitan ser más grandes o un poco más eficientes. Entonces conquistarán el sistema solar. Esta idea pasa por alto la “tiranía de la ecuación del cohete”.

La ecuación del cohete implica que se necesita más combustible solo para transportar el propio combustible. Esto hace que las misiones largas sean menos eficientes. El Dr. Robert Zubrin, fundador de la Mars Society, a menudo habla de este problema. Señala que el cohete Saturno V del programa Apolo utilizó más del 85% de su masa de lanzamiento como propulsor. Solo una pequeña parte llegó a la órbita lunar. Para Marte, este problema empeora aún más. Un cohete químico más grande solo necesita un tanque de combustible mucho más grande.

Esto no se trata solo de tanques más grandes. Se trata de física básica. Las reacciones químicas liberan una cantidad fija de energía por unidad de propulsor. Esto limita la velocidad máxima de escape. A esta medida clave de eficiencia la denominamos impulso específico (Isp). Incluso los mejores motores químicos, como los SSME del Transbordador Espacial, logran un Isp de aproximadamente 450 segundos. Eso no es suficiente para viajes rápidos entre planetas.

El colosal cohete Saturno V, utilizado en el programa Apolo, es célebre por haber requerido más del 85% de su masa de lanzamiento como propulsor, ilustrando la 'tiranía de la ecuación del cohete' que limita las misiones de espacio profundo. (Fuente: amazon.com)

Propulsión eléctrica: demasiado lenta para humanos

Los propulsores iónicos supusieron un gran salto en la eficiencia del combustible. La nave espacial Dawn de la NASA, lanzada en 2007, utilizó propulsión iónica para orbitar Vesta y Ceres. Esta misión demostró que la tecnología permitía lograr grandes cambios de velocidad con poco combustible. Por eso, muchas personas ven la propulsión eléctrica como el siguiente paso para los motores de espacio profundo.

Este entusiasmo a menudo pasa por alto una compensación importante: el empuje. Los propulsores iónicos producen un empuje increíblemente bajo, de apenas unos milinewtons. A Dawn le tomó cuatro años llegar a Vesta. Su aceleración total duró años. El Dr. Bruce Campbell, experto en propulsión aeroespacial de The Aerospace Corporation, lo deja claro. Dice que los propulsores iónicos, aunque eficientes, son “demasiado lentos para misiones humanas”. Funcionan muy bien para sondas robóticas que transportan pequeñas cargas en misiones de larga duración. Pero las misiones humanas deben reducir el tiempo de tránsito. Esto disminuye la exposición a la radiación y el estrés psicológico para los astronautas.

Un viaje humano a Marte utilizando cohetes químicos podría tardar de seis a nueve meses de ida. El mismo viaje con la propulsión iónica actual tardaría años. Esto hace que los riesgos y costes de la misión se disparen. El propulsor NEXT de la NASA alcanzó un Isp de 4.100 segundos. Pero su empuje máximo seguía siendo de apenas 236 milinewtons. Esta lentitud en la aceleración hace inviable cualquier posibilidad de exploración tripulada.

Energía nuclear: una promesa pasada, un problema actual

Estados Unidos invirtió mucho dinero en la investigación de cohetes térmicos nucleares (NTR) en la década de 1960. El Proyecto NERVA (Motor Nuclear para Aplicación en Vehículos Cohete) realizó muchas pruebas. Por ejemplo, la serie Kiwi-B mostró un reactor funcionando a plena potencia en 1964. Los NTR tenían un Isp aproximadamente el doble del de los cohetes químicos, unos 900 segundos. Esto prometía viajes mucho más rápidos a Marte. Muchos piensan que los NTR son la respuesta clara para servir de puente entre la propulsión química y otras más avanzadas.

NERVA fue cancelado en 1972, a pesar de los buenos resultados de las pruebas. La mayoría de la gente culpa a la política de la Guerra Fría y a los recortes presupuestarios. Pero persistían problemas técnicos reales. Entre ellos, se encontraban problemas con los materiales a temperaturas extremas. Además, las preocupaciones sobre la realización de pruebas con reactores nucleares en tierra y el manejo de los gases de escape radiactivos aún persisten. El Dr. Franklin Chang Díaz, CEO de Ad Astra Rocket Company, llama a los NTR “tecnología nuclear antigua”. Él cree que todavía conllevan demasiados problemas ambientales y políticos.

El Proyecto NERVA (Motor Nuclear para Aplicación en Vehículos Cohete) fue un programa estadounidense en la década de 1960 que probó con éxito motores de cohetes térmicos nucleares. A pesar de los resultados prometedores, incluyendo la operación a plena potencia del reactor de la serie Kiwi-B en 1964, el proyecto fue cancelado en 1972 debido a la política de la Guerra Fría, los recortes presupuestarios y las preocupaciones técnicas y ambientales no resueltas. (Fuente: autoevolution.com)

Chang Díaz defiende una idea más avanzada: los cohetes de plasma. Su motor VASIMR (Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable) calienta los propulsores hasta convertirlos en plasma con ondas de radio. Los campos magnéticos, posteriormente, aceleran este plasma. VASIMR busca alcanzar valores de Isp de 3.000 a 30.000 segundos. También ofrece más empuje que los motores iónicos. Este diseño intenta sortear los límites de los reactores nucleares de núcleo sólido.

Conceptos exóticos: no solo ciencia ficción

Los científicos están investigando activamente métodos de propulsión como la fusión y la antimateria. En el ámbito espacial, a menudo se les descarta como demasiado lejanos o meramente teóricos. Pero esto pasa por alto la investigación científica real que se está llevando a cabo sobre estas ideas. No son solo fantasía. Son esfuerzos serios para aplicar la física fundamental a la propulsión.

La propulsión por fusión, por ejemplo, intenta copiar la potencia del sol. El Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) estudia activamente reactores de fusión compactos. Estos podrían impulsar naves espaciales algún día. Faltan décadas, pero su trabajo en confinamiento y calentamiento es importante. Un cohete de fusión podría, en teoría, alcanzar velocidades de escape muy superiores a las de cualquier sistema químico o térmico nuclear. Esto reduciría enormemente los tiempos de viaje.

La propulsión de antimateria sigue siendo altamente especulativa. Su fabricación y almacenamiento plantean enormes desafíos. Pero el físico teórico Dr. Gerald Smith de Penn State ha investigado su potencial. Demostró cómo la aniquilación de antimateria con materia podría convertir casi el 100% de la masa en energía. Esto proporciona la mayor densidad de energía posible para la propulsión. Incluso pequeñas cantidades de antimateria podrían proporcionar un empuje masivo. Los obstáculos son enormes, pero entendemos la física de la aniquilación de antimateria. No es magia.

La variable oculta: combustible e infraestructura

Las discusiones sobre motores futuros a menudo pasan por alto el papel crítico del abastecimiento de combustible y la infraestructura. La mayoría de los planes asumen que siempre se lanzará todo el propulsor necesario desde la Tierra. Esta idea limita en gran medida todos los conceptos de propulsión, incluso los avanzados. Pasa por alto una parte clave del rompecabezas.

La utilización de recursos in situ (ISRU) representa un cambio radical. El Dr. Phil Metzger, científico planetario del Planetary Science Institute, defiende la ISRU. Dice que fabricar propulsores en la Luna o Marte lo cambia todo. Si los motores futuros pueden usar el hielo de agua local para producir hidrógeno y oxígeno, la “tiranía de la ecuación del cohete” disminuye. No tendremos que levantar toda esa masa de la Tierra.

El motor VASIMR (Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable), defendido por el exastronauta Franklin Chang Díaz, calienta los propulsores hasta convertirlos en plasma con ondas de radio y utiliza campos magnéticos para la aceleración. Este diseño innovador busca alcanzar valores de impulso específico sin precedentes, lo que podría permitir viajes espaciales mucho más rápidos. (Fuente: ticotimes.net)

El programa PROSPECT de la ESA, por ejemplo, desarrolla tecnología para obtener agua del suelo lunar. Si funciona, las estaciones de reabastecimiento lunar se convertirán en una realidad. Entonces, los cohetes podrían lanzarse desde la Tierra con menos combustible. Se reabastecerían en órbita lunar antes de ir a Marte. Esta infraestructura es tan importante como los nuevos motores. Cambia por completo la economía y la logística de los viajes espaciales.

El objetivo real: velocidad, seguridad, sostenibilidad

Lograr un verdadero viaje al espacio profundo requiere más que pequeñas mejoras en los motores existentes. Esto pasa por alto el objetivo real. Los futuros motores espaciales no solo necesitan más potencia. Necesitan una velocidad de escape mucho mayor para viajes rápidos. Esto es importante para la seguridad humana y el éxito de la misión. Debemos reducir la exposición a la radiación en viajes largos. También es necesario mitigar la tensión mental del confinamiento prolongado.

Esto significa que debemos alejarnos de la combustión química. Debemos adoptar sistemas de impulso específico ultra-alto. Estos pueden tener menos empuje inicial, pero ofrecen una enorme acumulación de velocidad. El Dr. Marc Millis, quien una vez dirigió el programa Breakthrough Propulsion Physics de la NASA, enfatizó esto. Su trabajo se centró en sistemas que no requirieran propulsor o que ofrecieran un Isp muchísimo mayor. El objetivo final es dejar de transportar toda la masa de reacción.

En resumen, el futuro de los viajes espaciales no se trata de explosiones más grandes. Se trata de física más inteligente. Necesitamos construir motores que expulsen el propulsor más rápido que nunca. Esto significa explorar ideas avanzadas de plasma, fusión e incluso antimateria. Al mismo tiempo, debemos construir depósitos de combustible extraterrestres. Solo entonces podremos hacer que los viajes espaciales sean verdaderamente sostenibles, seguros y rápidos para la expansión de la humanidad por todo el sistema solar. Esto no se trata solo de llegar allí; se trata de hacer posible el viaje.

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Preguntas frecuentes

¿Qué es el impulso específico? El impulso específico (Isp) mide la eficiencia de un motor de cohete. Indica la eficacia con la que un motor utiliza su propulsor para producir empuje. Un Isp más alto significa más empuje por unidad de masa de propulsor, lo que permite mayores velocidades o tiempos de operación más largos.

¿Por qué se siguen utilizando tanto los cohetes químicos? Los cohetes químicos son potentes y fiables para su fin previsto: levantar cargas pesadas rápidamente desde la Tierra. Proporcionan un alto empuje, necesario para superar la fuerte gravedad de la Tierra. La tecnología es madura y ampliamente dominada, lo que los hace rentables para las necesidades de lanzamiento actuales.

El programa PROSPECT de la ESA está desarrollando tecnología avanzada para extraer hielo de agua del regolito lunar, un paso crucial hacia el establecimiento de estaciones de reabastecimiento lunar sostenibles. Esta utilización de recursos podría reducir drásticamente la cantidad de combustible que los cohetes necesitan transportar desde la Tierra, haciendo que los viajes al espacio profundo sean más viables. (Fuente: esa.int)

¿Qué es ISRU? ISRU significa Utilización de Recursos In Situ. Implica utilizar los recursos locales encontrados en otros cuerpos celestes, como la Luna o Marte, para obtener los recursos necesarios. Esto incluye propulsor, agua o materiales de construcción. ISRU reduce la necesidad de lanzar todo desde la Tierra, haciendo que las misiones de espacio profundo sean más sostenibles.

¿Cómo encajan los “motores de curvatura” en las discusiones sobre motores futuros? Los motores de curvatura son conceptos altamente teóricos que proponen distorsionar el espacio-tiempo para viajar más rápido que la luz. Aunque actualmente se consideran pura ciencia ficción, representan la aspiración máxima para el viaje interestelar. Los investigadores estudian su física subyacente, pero la aplicación práctica está muy lejos de nuestras capacidades tecnológicas actuales.

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