Cohete Capricornio (Fuente: wikimedia commons)

Entre 1.991 y 2.000 España se animó a desarrollar su primer cohete lanzador de satélites, el Capricornio. Se trataba de un sistema lanzador de tres etapas, formadas cada una de sistemas propulsores por motor cohete de combustible sólido. Durante las fases iniciales del proyecto, se estudió que la tercera etapa fuese propulsada por un motor de combustible líquido, dado que ofrecía mayores ventajas en cuanto a rendimiento propulsivo y control del empuje. Sin embargo, se desestimó esta idea, dado que aparte de una mayor complejidad del motor y más coste respecto al motor sólido, no había experiencia en España en desarrollo de motores de combustible líquido.

Quince años después, una startup radicada en Elche, PLDSpace, se ha aventurado a llenar este hueco tecnológico y anuncian en los medios que van a construir el primer motor cohete de combustible líquido, diseñado y fabricado íntegramente en España (1).

Pero, ¿Cuál es la diferencia entre cohetes de combustible líquido y sólido? ¿Por qué esto es tan importante?

En primer lugar, Un motor cohete es un motor de reacción que genera empuje mediante la expulsión a la atmósfera de gases que provienen de la cámara de combustión. Los motores cohete incorporan tanto el combustible, como el comburente. La razón por la que se emplean cohetes para los vuelos espaciales es que El motor cohete es el motor más potente conocido y su relación peso/empuje, necesaria para alcanzar los 27.000 Km/h. para escapar de la atracción de la gravedad.

Los motores cohete de combustible sólido emplean como propulsor una mezcla de como combustible y oxidante, llamado “grano”. El combustible sólido, contiene tanto el combustible como el comburente. El primero puede ser aluminio en polvo y el segundo perclorato de amonio (5). El esquema del motor se muestra en la figura: consta esencialmente de una tobera y una cubierta, que actúa de hecho como cámara de combustión. El grano se ubica en la cubierta, de tal modo que en su centro se practica un hueco o veta, y que puede tener diferentes formas y secciones. La ignición del combustible se inicia dentro de esta veta, facilitando de este modo una combustión homogénea y controlada. Se trata del motor más sencillo que existe.

esquema de un cohete de combustible solido (fuente: wikimedia commons)

En los cohetes de combustible líquido combustible y comburente están separados, tratándose normalmente de gases enfriados hasta conseguir licuarlos, por lo que estos motores también se denominan criogénicos. El esquema de estos motores muy simplificado es, como se indica: La cámara de combustión recibe el combustible y el comburente, impulsados por una bomba, donde ambos se queman.

esquema de un motor de combustible liquido (fuente: creative commons)

En 2011, la NASA realizó un estudio llevó a cabo un estudio completo acerca de analizar las ventajas e inconvenientes de los cohetes de combustible sólido y líquido (2).  Sin entrar en detalles del resultado del estudio, podemos indicar, grosso modo las ventajas en inconvenientes de cada sistema:

Las ventajas de los motores de combustible sólido son éstas:

· Sencillez
· Bajo coste
· Fiabilidad
· Almacenabilidad: Un motor de combustible sólido puede almacenarse durante meses.

Ahora bien, presentan los siguientes inconvenientes:

· No se puede controlar el empuje
· Una vez iniciada la ignición, no se puede parar o reiniciar
· No tienen refrigeración para sus elementos, por lo que la duración de la ignición no puede ser prolongada.

Por otro lado, los motores de combustible líquido tienen las principales ventajas:

· Control del empuje durante el vuelo.

· Capacidad de refrigeración:  Los sistemas de combustible líquido por el contrario aprovechan el propio combustible como medio de refrigeración (4).

· Mayor impulso específico: Es decir, para un mismo volumen de lanzador, proporciona mayor empuje, o lo que es lo mismo: son más eficientes: para una misión que requiera gran cantidad de empuje durante un tiempo prolongado, la masa de propulsante sólido necesaria sería mayor que la uno líquido.

Sin embargo, y al igual que los motores de combustible sólido, los sistemas conllevan inconvenientes a tener en cuenta:

· Sistema de motor más complejo y costoso

· Mayor mantenimiento del motor

· Manipulación y almacenaje del combustible complejas:  Al emplear combustibles criogénicos, es decir a temperaturas muy bajas, obligan a llenar los tanques del lanzador horas previas al lanzamiento. Además, muchos combustibles líquidos, como la hidracina o el ácido nítrico, son muy tóxicos o corrosivos. Esto implica adoptar una serie de medidas que con la manipulación de combustibles sólidos no sería tan estricta (3)

Los pros y contras que hemos visto inclinaron la balanza principalmente hacia los motores de combustible líquido como los elegidos para lanzadores de las misiones espaciales. Y así ha sido, desde que lo recomendó Konstantin Tsolikowsy y Goddard o Von Braun llevaron a la práctica. Los motores de combustible sólido se emplearon en sistemas con un tiempo de misión más corto, como es el caso de los misiles.

Con el fin de mejorar las prestaciones de los motores de combustible sólido, se consiguieron nuevos compuestos químicos que aumentaron el impulso especifico de los propulsantes, (aunque no igualaron a los de los motores criogénicos) y se consiguieron nuevos materiales cerámicos para las toberas que lograsen soportar tiempos de encendido de más de dos minutos. Gracias a estos avances se optaron como sistemas auxiliares en los despegues de grandes lanzadores, es decir, como “aceleradores”-boosters (caso del Ariane V y del Shuttle).

Lanzamiento del Suttle, cono los boosters en funcionamiento (fuente: Wikimedia commons)

Y apoyado en estos avances y la experiencia probada con los boosters, la NASA se aventuró a proponer un sustituto del Shuttle, el Ares 1, diseñado a partir de estos aceleradores de cohetes de combustible sólido.

Éste se componía, precisamente, de una etapa principal formada por un motor de combustible sólido y una segunda de combustible líquido. La razón principal que animo a la NASA a emplear combustible sólido se encontraba a su experiencia en el mantenimiento del Shuttle, cohetes de diseño complejo, que suponía un intensivo mantenimiento después de cada vuelo:  Como hemos visto, mientras los cohetes de combustible sólido son más robustos, requieren menos costes de mantenimiento y de fabricación, pero tienen peor eficiencia propulsiva.

Por el contrario, cuando se inicia la primera fase, al despegue, es cuando ese control realmente no es tan requerido, razón por la cual el Shuttle, por ejemplo, utilizada los boosters de combustible sólido nada más despegar. Esta razón podría argumentarse para justificar un cohete como el Ares-1 o el capricornio, que empleaba en una primera etapa sólida, y una segunda líquida, donde el control de ignición tendría más justificación.

Cohete Ares-1 (Fuente: Wikimedia commons)

El Ares-1 significaría el mayor lanzador formado por combustible sólido. Su prototipo realizó un lanzamiento exitoso en octubre de 2.009. Pero surgieron algunos problemas, tales como el acoplamiento de las vibraciones del motor con las frecuencias propias del cohete, junto con la polémica que algunos especialistas no eran partidarios de estos motores como etapa principal. (3). La decisión final la tomó la administración Obama al cancelar el programa Constellation y con éste el Ares-1.

Tras el fin del ARES-1, surge la pregunta en 2011: hacia donde debe la NASA orientar su esfuerzos? ¿Implicarse en desarrollar nuevos cohetes de combustible líquido, o un cohete de combustible sólido como los boosters?, cuestión que le llevó a emprender el estudio citado (2).

La respuesta la da el SLS: es, siguiendo el concepto actual, hacia los sistemas de combustible líquido, manteniendo los lanzadores de sólido como aceleradores.

Ares-1 iba a suponer la puesta de largo de los motores de combustible sólido. En lugar de solventar los problemas del Ares-1, La NASA ha optado por emplear una tecnología más costosa, más compleja, pero más fiable al tener más experiencia. Esa que los emprendedores de PLDSpace buscan adquirir en nuestro país.

Se trata de una apuesta importante para una empresa pequeña, formada por cuatro jóvenes ingenieros sin experiencia previa en estos sistemas, que buscan vender lanzadores de bajo coste. PLD vende como valor añadido de sus productos la reutilización con motores de combustible líquido, pero como hemos indicado la NASA decidió optar por motores sólidos precisamente por los elevados costes de mantenimiento de los motores de combustible líquido del Shuttle.

La cuestión es: ¿por qué PLD space no opta por empezar a asentarse en el mercado espacial, retomando el camino del capricornio empleando motores de combustible sólido? ¿No es mejor empezar con un sistema más sencillo y seguro, fijándose en la experiencia del Ares-1?

Alfonso Martin Erro
Feynmania-elplacer de descubrir

Referencias

(1) España se abre camino al espacio

(2) Rocket propulsion study helps chart NASA’s future

(3) Comparison of liquid, solid and hybrid chemical rockets

(4) Ares I: la polémica del combustible sólido. Javier Casado: Rumbo al cosmos

(5) ROCKET PROPULSION