¿Qué gasolina usa un cohete espacial?

En un coche hay que decidir entre gasolina o diesel. En un cohete la decisión es más complicada y gracias al uso de etapas secuenciales se suelen alcanzar soluciones de compromiso.

Existen muchos tipos de combustibles, cada uno con sus propios problemas y ventajas. Se dividen en varias clases o familias. Criogénicos, semi criogénicos, hipergólicos y sólidos son los principales tipos de combustible existente.

Empezando por los semi criogénicos aquí hablamos casi exclusivamente de kerolox. Este apodo hace referencia al inglés kerosene, queroseno, y a las siglas LOX, oxígeno líquido en inglés.

Se habla de combustible semi criogénico debido a que aunque la temperatura óptima sea con ambos propelentes bajo cero no es necesario en el caso del queroseno. Aunque hay casos en los cuales este se emplea a temperaturas criogénicas, como en el Falcon 9. En este cohete el queroseno es puesto a una temperatura de -6ºC.

Sin embargo, el oxígeno líquido siempre debe mantenerse a temperaturas criogénicas para prevenir su evaporación.

Una ventaja de este combustible es su relativa abundancia. Pese a que lo habitual es emplear queroseno ultra refinado, RP-1. también es habitual encontrar casos de cohetes que emplean Jet-A, combustible de aviación convencional.

Yendo al detalle, gracias a su masa molecular este propelente tiene un mejor empuje a igualdad de condiciones que otros propelentes criogénicos. A cambio su eficiencia es menor.

Algunos cohetes que emplean este combustible son:

  • Falcon 9 y Heavy de SpaceX
  • 1ª etapa del Atlas V
  • Electron de Rocket Lab
  • CZ-5, 6,7 y 8 de CASC (Corporación China de Ciencia y Tecnología Aeroespacial)

Cambiando a los propelentes criogénicos tenemos a uno muy veterano y a otro que pese a su actual popularidad aún no ha llegado a orbita.

El hidrolox (de hidrógeno y oxígeno líquido) es uno de los combustibles más antiguos de la carrera espacial. También es uno de los más complejos que se puede desarrollar. Buena parte de esto se debe a las características del hidrógeno.

El SLS es un cohete que emplea el hidrolox. Uno de los problemas de este combustible es que se evapora a temperatura ambiente, por tanto esos vapores deben ser ventilados del cohete en un proceso llamado "venting". (Joel Kowsky/NASA via AP)

El SLS es un claro ejemplo de los problemas que tiene el hidrógeno en su manejo

Debido a su escaso diámetro molecular tiene la mala costumbre de escaparse de los almacenes y tuberías de transporte. Además una concentración superior al 4% en aire puede ser suficiente para alimentar un incendio. Con el problema añadido de que las llamas de un incendio de hidrógeno son invisibles al ojo humano. Este problema casi provoca una desgracia en la época del transbordador espacial.

Pero tiene ventajas. En caso de reutilización la combustión de oxígeno e hidrógeno no deja restos en el motor. Además el resultado de la mezcla es exclusivamente vapor de agua lo que reduce la huella de carbono. También es el combustible más eficiente que conocemos. Aunque aparte de su manejo otro problema es su escasa potencia. Por eso su uso es más habitual en etapas superiores con algunas excepciones.

  • Delta IV heavy. Cohete completo de hidrolox.
  • SLS, Transbordador espacial y Ariane 5. Hidrolox apoyado por cohetes de combustible sólido.
  • CZ-5 Etapa superior de hidrolox.

Otro combustible criogénico que se ha empezado a popularizar en los últimos años es el methalox

Mezcla de metano (CH4) y oxígeno líquido. Actualmente múltiples empresas se hayan inmersas en una carrera por llevar el primer cohete de este tipo a órbita. Debería culminar este mismo año.

La ventaja de este combustible sobre el kerolox es que deja menos restos de la combustión y es más eficiente. A cambio es ligeramente menos potente y el manejo es más complicado también.

Sin embargo, es más sencilla que la del hidrolox, al que aventaja también en potencia pero pierde en eficiencia y facilidad de reutilización.

Los cohetes que están en disposición de hacerse con el mérito de ser el primero en llegar a órbita son en orden de probabilidad en opinión del autor:

  1. Terran 1 de Relativity. Fecha prevista: este mes
  2. Zhuque 2 de Landspace. Fecha prevista: este mes
  3. Vulcan-Centaur de United Launch Alliance. Fecha prevista: Diciembre de este año
Fuente de las fechas
La Starship de SpaceX también empleará methalox en las dos etapas del cohete sin embargo aparentemente aún le queda bastante tiempo hasta la plataforma de lanzamiento para un vuelo orbital.

Pasando a los combustibles hipergólicos

Estos hacen referencia a una gran variedad de combustibles, pero todos comparten la base de que arden en contacto el propelente y el oxidante. La más habitual es hidracina junto con tetraóxido de dinitrógeno. Estos combustibles son peores en todo que los propulsores criogénicos. Sin embargo cuentan con una ventaja, son almacenables a largo plazo. Es decir, una sonda puede ser lanzada con un suministro de hidracina y esta no se evaporará como harían los anteriores mencionados.

Hay casos de sondas que emplean hidracina que duran décadas como es el caso de las Voyager 1 y 2. Esto sería imposible con kerolox, methalox o hidrolox.

Aún así los extremos problemas de toxicidad, falta de potencia y falta de eficiencia se ven compensados en el diseño de cohetes en la sencillez de los motores. La falta de necesidad de maquinaría de alta precisión y complejidad como una turbobomba que se ve sustituida por sistemas de válvulas facilitan el diseño de estos cohetes.

Algunos son:

  • Proton de Roscosmos
  • PSLV del ISRO
  • Serie Titan de Martin/Martin-Marietta/Lockheed Martin.
El Proton M emplea combustible hipergólico en su primera etapa. Además esta tiene una curiosidad y es que el bloque central no contiene motores, que están situados en los apendices exteriores, si no que es un gran deposito de tetraóxido de dinitrógeno.

Los combustibles sólidos no son literalmente sólidos. Son más bien pastas de alta densidad formadas por distintas combinaciones de plásticos. Aunque históricamente si que ha habido sólidos, literalmente, como propulsores de cohete, siendo el ejemplo más claro la pólvora.

Estos cohetes tienen una muy alta potencia con una baja eficiencia, aunque superior en ocasiones a la de los propulsores hipergólicos. Su mayor problema es que una vez encendidos su empuje no puede ser regulado y no pueden ser apagados. Esto dificulta el control del vehículo y ha llevado a los diseñadores a usarlos como un motor extra.

En la actualidad el uso más común de los motores sólidos es como motores de apoyo en el despegue.  Son ejemplos de esto

  • El SLS de la NASA
  • El Atlas V y el Vulcan de United Launch Alliance
  • El CZ-5 del CASC
  • El Ariane 5 y 6 de Arianespace
  • El H-2 y 3 de Mitsubishi heavy industries.

Pero y aunque son escasos también existen lanzadores que emplean únicamente combustible sólido como:

  • La serie Minotaur y el Pegasus de Northrop Grumman
  • El SSLV del ISRO
  • Muchos cohetes sonda de distintas empresas y naciones.
Martín Morala Andrés