Perfeccionando la propulsión: cómo llevaremos humanos a Marte

Con misiones recientes a Marte, como la Perseverancia de la NASA, la Esperanza de los EAU y la Tianwen-1 de China, todas ellas exitosas, se le puede perdonar que piense que llegar a Marte es fácil. Pero hay una gran diferencia entre enviar un rover o un orbitador al planeta rojo y enviar el tipo de infraestructura y tecnología que necesitaremos para establecer una presencia humana allí.

La propulsión química puede habernos llevado al sistema solar, pero para la siguiente fase de la humanidad exploración del espacio, necesitaremos nuevas tecnologías de propulsión para complementar las que hemos estado usando para el últimos 50 años. Para obtener detalles sobre cómo sería una propulsión para una expedición tripulada a Marte, hablamos con Kareem Ahmed, profesor asociado de la el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Florida Central y un experto en propulsión de cohetes de última generación sistemas

Este artículo es parte de Vida en Marte, una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte

Viejo confiable: los sistemas de propulsión química que usamos ahora

Para enviar un cohete volando a través de la atmósfera de la Tierra y hacia el espacio más allá, se necesita mucho empuje. Debe contrarrestar no solo la fricción de la atmósfera de la Tierra, sino también la importante fuerza de la gravedad, que empuja los objetos hacia el suelo.

Desde la década de 1950, hemos utilizado el mismo principio básico para propulsar cohetes, llamado propulsión química. Esencialmente, enciende un propulsor (una mezcla de combustible y un oxidante), que genera calor. Este calor hace que se expanda el material dentro del cohete, que luego es empujado hacia afuera por la parte trasera del cohete. Esta expulsión de propulsor crea empuje, que empuja el cohete hacia arriba con una fuerza tremenda, y esta fuerza le permite superar los efectos de la gravedad y escapar al espacio más allá de nuestro planeta.

“La propulsión basada en productos químicos solo agrega calor a los propulsores a velocidades realmente rápidas. Ese propulsor, una vez que lo tienes a una temperatura realmente alta, se expande a una velocidad muy alta”, explicó Ahmed. “Esa velocidad es una función de la cantidad de calor que estás poniendo. Así que piénsalo como si tuvieras una explosión, tienes una enorme cantidad de gas que se mueve rápidamente. Y esa es la velocidad”.

Esta es la gran ventaja que tiene la propulsión química sobre otros tipos de propulsión que se están considerando: Velocidad. La propulsión química ayuda a que los cohetes vayan muy, muy rápido. Pero no siempre es la opción más eficiente.

“Piense en ello como un Prius contra un Corvette”, dijo Ahmed. "Si quieres ir del punto A al punto B muy rápido, es difícil superar la propulsión basada en productos químicos". Sin embargo, cuando desea ser más eficiente, otros sistemas de propulsión pueden ser útiles. "Si está tratando de llegar del punto A al punto B a una velocidad razonable pero con alta eficiencia, entonces la propulsión basada en productos químicos podría no ser la herramienta adecuada".

Mejora de los sistemas de propulsión química

El principio de la propulsión química puede haber permanecido igual durante las últimas décadas, pero eso no significa que no se estén realizando mejoras en la tecnología, como la investigación de diferentes tipos de combustible.

La eficiencia de los tipos de combustible es una cuestión de densidad de energía: cuánta energía puede almacenar una determinada cantidad de combustible. Por eso es difícil usar algo como el hidrógeno como combustible, aunque libera mucho calor en las reacciones químicas, porque es muy ligero y tiene baja densidad. Es difícil almacenar una gran cantidad de hidrógeno en una pequeña cantidad de espacio, por lo que no es un combustible muy eficiente.

Los cohetes actuales usan con mayor frecuencia combustibles a base de queroseno, básicamente lo mismo que el combustible para aviones, pero la gran área de interés en este momento está analizando los combustibles a base de metano o gas natural. Este combustible no sería necesariamente más efectivo como propulsor, pero sería considerablemente más barato ya que el gas natural es abundante y ya tenemos tecnología para recolectarlo.

“Si SpaceX pudiera usar gas natural para volar su Falcon 9, tendrían muchos ahorros y, por lo tanto, acelerarían la exploración espacial”, dijo Ahmed como ejemplo. “Si pudiéramos reducir el costo de salir a la órbita exterior, eso haría que el espacio fuera más accesible para nosotros”.

Otra área de investigación es la mejora de los propios motores. El equipo de Ahmed es uno de varios grupos que trabajan en un sistema llamado motor de cohete de detonación rotatoria, que podría generar más energía con menos combustible en comparación con los motores tradicionales.

Al controlar cuidadosamente la cantidad de hidrógeno y oxígeno que se alimenta a un motor, se puede crear presión de manera más efectiva. Esto puede reducir el tamaño de un motor de cohete al eliminar la necesidad de un compresor muy potente y también utiliza el combustible de manera más eficiente. La tecnología está en camino de ser utilizable pronto: Ahmed dice que la Fuerza Aérea de EE. UU. planea probar un motor de este tipo para 2025.

Por qué la propulsión química no va a ninguna parte

Para despegar de la Tierra, la propulsión química es fundamental. “Desde el nivel del suelo, la propulsión basada en productos químicos se vuelve fundamental porque se necesita esa cantidad de potencia para impulsar ese peso desde el suelo hasta una altitud más alta. Para superar la fuerza gravitacional”, explicó Ahmed.

Mencionó el ejemplo de SpaceX. Cuando la empresa lanza un cohete, ¿por qué no utiliza un sistema eléctrico como el que utiliza Tesla? Las dos empresas son propiedad de la misma persona, Elon Musk, por lo que seguramente podrían compartir tecnologías. Pero un sistema de propulsión eléctrica no puede generar la cantidad de empuje necesaria para hacer despegar un cohete, simplemente no produce suficiente potencia.

Por lo tanto, tendremos que seguir utilizando la propulsión química para lanzar cohetes en el futuro previsible. Pero esto cambia una vez que un cohete está en órbita. Una vez que ha superado la gravedad de la Tierra y está en el espacio, es como usar el control de crucero. Controlar una nave espacial en el espacio requiere relativamente poco empuje, ya que no hay que lidiar con la fricción del aire o la atracción gravitacional hacia abajo. Incluso puedes hacer uso de las fuerzas gravitatorias de los planetas y lunas cercanos.

Entonces, un sistema de propulsión diferente puede tomar el control para operaciones más eficientes.

Una opción más eficiente: Propulsión eléctrica

Una vez que un cohete está en órbita, a menudo necesitará hacer cambios de trayectoria: pequeños ajustes para ajustar su velocidad y asegurarse de que se dirige en la dirección correcta. Esto requiere un sistema de empuje. “Necesitas miles de newtons solo para hacer volar un vehículo, salir del estado de velocidad cero y levantarlo y superar la fuerza gravitatoria del peso que llevas. Es por eso que necesita un gran, gran sistema de cohetes. Pero en la órbita exterior, ya no tienes fuerzas gravitacionales que te influyan, solo tienes tu velocidad terminal que estás tratando de superar”, explicó Ahmed.

Y hay muchas formas de generar la fuerza necesaria para ajustar el rumbo de una nave espacial. “Empuje es empuje”, dijo. “Estás inyectando masa. Estás tirando masa, por lo tanto te mueve en la dirección opuesta. Es la cantidad de masa y qué tan rápido estás agotando esa masa”.

Una tecnología que se usa a menudo en satélites pequeños, o smallsats, es la propulsión eléctrica. Utilizan energía eléctrica (a menudo recolectada mediante paneles solares) para ionizar un gas propulsor. Este gas ionizado luego es forzado a salir por la parte posterior del satélite usando un campo electrónico o magnético, creando un empuje que mueve la nave espacial.

Este es un sistema extremadamente eficiente que puede usar hasta 90% menos de combustible que la propulsión química.

“Para la propulsión eléctrica, tu masa es muy pequeña y realmente no necesitas mucha velocidad para darte el empuje”, dijo Ahmed. Y los sistemas de propulsión electrónica pueden ionizar prácticamente cualquier material, por lo que pueden trabajar con lo que esté disponible.

El elefante en la habitación: Propulsión nuclear

La gente a menudo se siente incómoda con la idea de la energía nuclear en el espacio. Y ciertamente hay preocupaciones de seguridad que deben tenerse en cuenta cuando se usa energía nuclear, especialmente para misiones tripuladas. Pero la propulsión nuclear podría ser el as que nos permita visitar planetas distantes.

“La energía nuclear es en realidad muy eficiente”, explicó Ahmed. Un sistema de propulsión nuclear funciona a través de un reactor que genera calor, que luego se utiliza para calentar un propulsor que se expulsa para crear empuje. Utiliza este propulsor mucho más eficientemente que la propulsión basada en productos químicos.

Y es sostenible, que es su gran beneficio. “Un sistema basado en productos químicos, estás quemando propulsor y agotándolo, y ya no lo tienes”, dijo Ahmed. “Liberaste esa energía y la perdiste. En comparación con un sistema de base nuclear, el uranio o plutonio que va a utilizar está ahí y no va a desaparecer. Es sostenible mientras mantiene su reactor central”.

Sin embargo, aunque esta reacción es sostenible, el calor que genera aún debe canalizarse en una masa. No querría agotar el uranio o el plutonio que se usa en la reacción. Lo útil es que el material que se calienta puede ser prácticamente cualquier gas o sólido, aunque es preferible el gas ya que responde mejor al calor.

En el espacio, no hay gases para usar, por lo que aún deberá llevar algunos con usted. Pero en un planeta con una atmósfera, como Marte, teóricamente podrías usar gases fácilmente disponibles como el dióxido de carbono como propulsor.

La NASA actualmente está investigando sistemas de propulsión nuclear para misiones a Marte específicamente. “El objetivo de la NASA es minimizar el tiempo que la tripulación viaja entre la Tierra y Marte a dos años como sea práctico. Los sistemas de propulsión nuclear espacial podrían permitir tiempos de misión totales más cortos y proporcionar una mayor flexibilidad y eficiencia para los diseñadores de misiones”, dijo la agencia. escribió sobre sistemas nucleares. Pero aún no se han tomado decisiones firmes. "Es demasiado pronto para decir qué sistema de propulsión llevará a los primeros astronautas a Marte, ya que aún se requiere un desarrollo significativo para cada enfoque".

No es lo uno o lo otro; es todo lo anterior

Todavía estamos en las primeras etapas de planificación de una misión tripulada a Marte. Necesitamos considerar los requisitos prácticos, así como factores como el costo cuando se trata de planificar nuestros próximos pasos.

Ahmed no cree que un sistema de propulsión vaya a demostrar ser enormemente superior a los demás. En cambio, prevé una combinación de diferentes sistemas utilizados de acuerdo con las necesidades específicas de la misión.

“Yo diría que se van a necesitar los tres sistemas”, explicó. “No tienes un sistema de propulsión perfecto que se adapte a todas tus misiones”. Si bien es posible usar propulsión química para cualquier misión, es no siempre apropiado: comparó esto con llegar a un edificio de al lado usando un Ferrari y desperdiciando un montón de combustible cuando solo podías caminar.

Para las misiones tripuladas a Marte, “vas a tener que usar energía nuclear, tendrás que usar energía eléctrica y la base química sin la que no puedes salir adelante”, dijo. Por ejemplo, puede usar un sistema de propulsión eléctrica para transportar cargas como hábitats, usar propulsión nuclear para establecer un sistema de retransmisión confiable entre la Tierra y Marte, y luego enviar a sus astronautas usando una propulsión química sistema. Eso es porque los humanos son, esencialmente, piezas de hardware pesadas. “¡Nuestra masa no es luz!” él dijo. “Somos una cantidad significativa de masa, incluso para unas pocas personas. Por lo tanto, necesita esa propulsión basada en productos químicos”.

¿Estamos listos para Marte?

Hay muchas complejidades a la hora de organizar una misión tripulada a Marte. Pero cuando se trata de sistemas de propulsión, tenemos la tecnología para enviar una misión allí mañana.

“Los motores cohete tradicionales basados ​​en los años 50 lo llevarán allí”, dijo Ahmed. El factor limitante resulta ser algo más prosaico. “La pregunta es cuánto te va a costar”.

Enviar cohetes a Marte utilizando sistemas de propulsión basados ​​en productos químicos es simplemente muy, muy costoso. Y si bien existe un apetito tanto público como académico por una mayor exploración de Marte, la cantidad de dinero disponible para tal misión no es infinita. Por lo tanto, necesitaremos desarrollar y explotar tecnologías como los sistemas de propulsión eléctrica o nuclear para que la exploración sea más asequible.

Incluso en el ámbito de la propulsión basada en productos químicos, los avances tecnológicos, como los motores de detonación por rotación o los nuevos combustibles, pueden ayudar a reducir los costos, lo que promoverá una mayor exploración. “El desafío es desarrollar sistemas de ingeniería que sean más económicos que los sistemas de cohetes actuales”, dijo. “La tecnología de los años 50 te llevará a Marte sin problemas. Es súper, súper caro. Y nadie va a querer pagar por ello. Pero la tecnología está ahí”.

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