Pangea Aerospace y su histórico motor aerospike
Pangea Aerospace afronta un reto mayúsculo, ser los mejores constructores de motores cohete del mundo. Un reto de una magnitud diferente a la de la corriente general de fabricar un cohete completo. Ellos venden sus motores, una de las partes más complicadas de fabricar de un cohete a otras empresas. Pero este no es el único punto en que van contra la corriente general.
¿Qué es un motor aerospike?
Un motor cohete convencional emplea una tobera en forma de campana. Este componente del motor es una prolongación de este, una pieza sólida que actúa dirigiendo los gases de la combustión del motor. Generalmente fabricado en materiales que resisten el calor hasta niveles extremos. Tiene varias funciones, la principal, aumentar el rendimiento. Además, sirve para refrigerar el motor y puede ayudar a dirigir el vehículo.
Sin embargo, la tobera convencional tiene una forma rígida. Esto no permite adaptarse a las diferentes presiones atmosféricas que atraviesa un cohete en su ascenso.
En el motor aerospike a esto se le da la vuelta. Estos motores eliminan la tobera en forma de campana y en su lugar vierten los gases de la combustión hacia una rampa. Esta rampa puede tener dos formas, que determina el tipo, lineal o toroidal.
En este caso, Pangea se decidió por la segunda opción. Esta forma recuerda a la de un cono invertido. Este diseño es aún más complicado de refrigerar que un aerospike linear.
Y esto os lleva a los problemas de estos motores. En un mundo, el aeroespacial, donde cada ápice de rendimiento es aprovechado. ¿Por qué el diseño de un tipo de motor que aumenta su rendimiento en torno a un 20% nunca ha pasado del stand de pruebas?
Los problemas
Un motor aerospike enfrenta un enorme problema principal que puede derivar en otros, la temperatura.
La NASA calculó que el motor J-2 empleado en el Saturno V con la tobera toroidal tendría unos requisitos de refrigeración 15 veces superiores al convencional. Aun así, superaron el escollo y el J-2 T es hoy día considerado el padre de estos motores.
Pero, ¿por qué es tan complicado refrigerar un aerospike? Porque el área que está expuesto al máximo de temperatura dentro de un motor es el doble, al menos.
La sección que soporta la máxima temperatura es la garganta del motor. Este es el punto donde empieza la tobera. Que es, en realidad, una extensión del motor que mejora su rendimiento. Bien, una garganta convencional solo posee un perímetro exterior.
Los gases de la combustión son empujados a través de un pasillo más estrecho por hacer un símil. El calor solo te importa en las paredes del pasillo porque en el interior de él no vas a tener material, solo la masa de reacción.
Pero en un aerospike cambia. En estos casos tienes un perímetro interior y uno exterior. Aunque habitualmente, como en el caso de Pangea se encuentra un único perímetro interior. Este es de dimensiones muy superiores a las que tienen los motores convencionales.
Generalmente, a la hora de disipar energía térmica cuanto más grande la sección es, mejor. Pero aquí la situación es opuesta porque el gas a temperaturas extremas (para el metano puede llegar a los 5000 K) se está vertiendo sobre la sección a refrigerar.
Entonces, como han evitado en Pangea que sus motores se fundan:
Pues tienen dos soluciones, que no son realmente nuevas, pero sí su forma de aplicarlas. Por un lado, está el uso de materiales muy avanzados y por otra la refrigeración activa mediante el combustible. En efecto, ninguna de estas estrategias es nueva, de hecho, son empleadas de forma sistemática en cualquier motor cohete independientemente de si es aerospike o convencional.
La clave reside en utilizar la impresión 3D. La fabricación aditiva ha permitido a la empresa generar una serie de canalizaciones para el combustible de su motor que permite refrigerarlo suficientemente. No es la primera empresa que usa esta fabricación para sus motores, pero sí la primera que ha innovado en esta dirección.
Otro avance que han realizado es que han logrado refrigerar el motor con los dos combustibles (bio metano y oxígeno líquido) que emplea el motor. Una solución pionera en la historia y que han patentado ya.
El material de su motor proviene de una patente de la NASA y se denomina GRCop-42. Esta aleación de cobre está especialmente diseñada para sobrevivir a las altas temperaturas que imperan en un motor. Cuenta con la ventaja de que se le puede dar forma mediante la fabricación aditiva. Además, la licencia de su uso en Europa está expedida en exclusiva a otra empresa española, Aenium.
Para este artículo conté con una muy interesante charla con el CEO de la empresa, Adrià Argemí Samsó. En ella hablamos de muchas cosas, una, lo complicado que es acceder a financiación en España, y Europa en general en comparación con Estados Unidos.
Pese a ello, la empresa ha logrado pelear contra los gigantes habituales de la industria europea para conseguir fondos. Y esos fondos los han invertido de manera muy efectiva, en un puñado de años han logrado lo más difícil. Construir un motor aerospike pequeño.
Que es más complicado que construir uno más grande por el volumen de combustible empleado como refrigerante que circula por el motor.
Y no uno cualquiera, uno que no requiere de motores adicionales o sistemas RCS para ajustar la dirección del cohete. Sin embargo, no pudo detallar el sistema por motivos de confidencialidad.
Esta empresa rompe moldes en prácticamente cualquier dirección, sí, están desarrollando un cohete propio, llamado Meso. Pero su enfoque los lleva a vender motores.
Esto es algo inaudito en Europa, donde todas las empresas que han aparecido en el sector de lanzamientos espaciales tienen clara su ocasión de construir cohetes completos de forma interna. En el resto del mundo la tendencia es la misma, con una excepción, Ursa Major, esta empresa estadounidense también ofrece motores y otras piezas al resto de la industria, aunque estos motores son claramente inferiores a los que se propone construir Pangea.
Además de esta otra empresa, en España tenemos un gran ejemplo de especialización en el sector espacial. GMV construye sistemas de tierra y de vuelo con un éxito brutal a nivel mundial.
El futuro de Pangea pasa por construir una turbobomba. Esta pieza clave en la complejidad de un motor cohete les permitirá llegar a los empujes que aspiran, hasta 30 toneladas. Estos motores más grandes no serán combinables, es decir, aquellas empresas interesadas en lanzar el primer cohete aerospike de la historia no podrán optar a construir un cohete demasiado grande.
Probablemente en torno a una tonelada de carga a órbita baja terrestre. Puede que más, pero es complicado hablar de una tecnología que nunca ha ido al espacio, y las comparaciones o extrapolaciones son más difíciles aún.
Mientras tanto, sería igual de histórico que el interés mostrado por algunas empresas en sus actuales motores de 2,5 toneladas fructifique. Estos motores sí que serían combinables chocando con la doctrina de la empresa de emplear bloques monomotor, otra cuestión que los enfrenta a la tendencia general del resto de la industria en otro aspecto más.
Especialista en el programa espacial indio.
Universidad de Oviedo.