La física salvaje del supercohete de Elon Musk que traga metano

Para traer humanos a Marte, SpaceX está construyendo la poderosa nave espacial Starship, impulsada por el motor Raptor, una de las primeras en funcionar con metano y diseñada para ser reutilizada 1.000 veces.

El CEO de SpaceX, Elon Musk, tiene como objetivo ir a Marte. Para hacer esto, necesitará una nueva nave espacial, impulsada por un nuevo motor de cohete, diferente a todo lo visto hasta ahora. Da un paso adelante Raptor, el futuro de los esfuerzos de SpaceX.

Raptor está diseñado para impulsar los nuevos vehículos reutilizables que SpaceX está construyendo, la nave espacial Starship y el cohete Super Heavy. Combinadas, estas enormes máquinas están diseñadas para transportar hasta 100 personas al espacio, posiblemente a la Luna y Marte, con un lanzamiento humano temporal alrededor de la Luna planeado para 2023. SpaceX probó la primera versión de Raptor lista para volar en febrero de 2019 y, por último semana, un Raptor voló por primera vez en una prueba de «salto» de un prototipo de la nave estelar, llamado Starhopper.

El motor ha estado en desarrollo durante casi una década, pasando por una serie de iteraciones. En su centro está, como otros motores, la quema de combustible químico para producir empuje. Pero su uso de oxígeno líquido y metano, algo sin precedentes en la industria de los cohetes, y su diseño innovador significa que podría ser el As de SpaceX en el agujero cuando se trata de explorar el sistema solar.

«No hay otro motor de cohete capaz de producir tanto metano líquido y oxígeno líquido como el motor Raptor», dijo Tim Dodd, un experto de la industria que dirige el popular canal de YouTube Everyday Astronaut. “Y hacerlo más reutilizable, con poca o ninguna renovación, es la idea. Esto definitivamente ayudará a su situación comercial si pueden volar a todas partes. «

La reutilización es un tema clave, ya que Musk dijo que cada motor debe poder volar hasta 1,000 veces para respaldar las ambiciosas operaciones de Starship. Este es un gran desafío; los motores más reutilizados en la historia de la exploración espacial fueron los motores principales de cada transbordador espacial, que volaron solo unas pocas docenas de veces cada uno. «Es bastante ambicioso», dice Dodd. «No sé si 1.000 vuelos serán necesariamente factibles en un futuro próximo. Si se eleva a la altura de su potencial, tal vez 1.000 lo serán en un día posible «.

El motor existente de SpaceX se llama Merlin, que se utiliza en sus misiles Falcon 9 y Falcon Heavy, pero Raptor está anunciando una mejora significativa. Una es que tiene el doble de fuerza que su predecesor, debido a una presión mucho más alta, 380.000 libras al nivel del mar en comparación con 190.000 libras, a pesar de que tiene un tamaño similar.

El otro es el uso de metano. Ningún cohete propulsado por metano ha entrado jamás en órbita, el salto de la prueba Starhopper del otro día fue la primera vez que un motor de cohete propulsado por metano ha despegado. El metano evita la acumulación de depósitos en el motor en comparación con otros combustibles, como el queroseno, proceso conocido como coquización, mientras que su mayor rendimiento permite menores costos.

«El costo del combustible para los cohetes líquidos es una proporción tan trivial de los costos totales de lanzamiento», dice el consultor espacial Rand Simberg. «Con los vehículos reutilizables, queremos llegar al punto en el que nos preocupamos por cuánto cuesta el combustible. En las aerolíneas, generalmente el 35% de los costos operativos totales son combustible. Con un cohete es menos del 1% tradicionalmente. «

Raptor también usa lo que se conoce como motor de combustión de flujo completo, el único tercer motor en la historia que usa esta técnica, mientras que Merlin usa el sistema de circuito abierto más común. Los dos intentos anteriores de un motor de este tipo, uno en la Unión Soviética en la década de 1960 y otro en los Estados Unidos a principios de la década de 2000, nunca pasaron la prueba.

Un motor de combustión completa se refiere a la forma en que una bomba hace girar una turbina para impulsar el motor, utilizando lo que se llama un precalentador para iniciar este proceso inyectando una pequeña cantidad de combustible. Normalmente, parte del motor se gasta en un motor de ciclo abierto tradicional para iniciar este proceso, pero Raptor utilizará cada gota de motor disponible, lo que lo convierte en uno de los motores de cohete más eficientes jamás construidos.

«La rapaz quema combustible a una presión lo suficientemente alta, que luego puede hacer que el fuego del prequemador vuelva a la cámara de combustión y queme por completo ese motor junto con el resto de los motores», dice el consultor espacial Charlie García del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). ). «Y lo hace de una manera muy inteligente, que solo los rusos han hecho antes … poniendo todo el motor en el motor a través de pre-quemadores».

El resultado final es que el Raptor tiene una presión mucho más alta que el Merlin, aproximadamente tres veces mayor, lo que lo convierte en el motor de cohete de presión más grande existente y conduce a la propulsión mencionada anteriormente que el Merlin, a pesar de sus dimensiones similares. En 2016, Musk se refirió a la «presión loca» dentro de la cámara principal del motor, 300 bar, que requirió el desarrollo de una nueva aleación de metal.

Por supuesto, la otra gran innovación del Raptor sobre su predecesor es el uso de metano, que es el objetivo final de SpaceX. SpaceX no es la única empresa que se ha pasado al metano, ya que la empresa rival Blue Origin, dirigida por el director ejecutivo de Amazon, Jeff Bezos, también está desarrollando su propio motor de metano, llamado Blue Engine 4 (BE-4). Con muchas ventajas, es un interruptor que parece casi antiguo.

La mayoría de los motores de cohetes anteriores dependían del uso de combustibles como el queroseno en lugar del metano. Pero el principal beneficio de usar metano es que tiene un rendimiento más alto que otros combustibles, lo que significa que el cohete puede ser más pequeño. Y su menor costo significa que se puede reducir el costo total del lanzamiento.

Esto podría ser crucial, porque la cantidad de motores Raptor que SpaceX está tratando de construir es enorme, por decir lo menos. Cada vehículo Starship está diseñado para volar con seis motores Raptor, junto con 35 en el cohete Super Heavy, un total de 41 en el lanzamiento. El cohete SpaceX más grande hasta la fecha, el Falcon Heavy, se lanza con 28 motores Merlin (27 en la parte inferior y uno en la parte superior). Con la cantidad de lanzamientos que SpaceX planea para Starship y Super Heavy, su tasa de producción tendrá que aumentar significativamente.

«Debido a que uso tantos de ellos en el vehículo súper pesado, tendrá que aumentar la producción a un ritmo absolutamente loco», dice Dodd. «Elon habló sobre la creación de uno 12 horas, que sería inaudito en la industria. Incluso si hago uno a la semana, es bastante impresionante. «

También se cree que el metano podría estar disponible en la superficie de Marte o en otras partes del espacio para su uso como combustible, tal vez mediante la explotación de agua y dióxido de carbono, conocido como uso de recursos in situ (ISRU). «Es razonable extraer metano de la superficie marciana y potencialmente de la superficie lunar», dice el analista de la industria Caleb Williams de la consultora SpaceWorks.

Esto es vital para el objetivo de SpaceX de realizar viajes regulares desde y hacia Marte con Starship, lo que le permite ser casi autosuficiente en términos de combustible. «Este fue el santo grial del acceso al sistema solar para la humanidad», dice García. «Porque cuando puedes repostar en el espacio, ahora, de repente, tu hélice no tiene que venir de la Tierra».

Junto con estas altas demandas, Raptor representa un cambio importante en las ambiciones de SpaceX de modestos lanzamientos en la Tierra a, potencialmente, explorar el Sistema Solar. La prueba reciente de Starhopper fue un paso clave en la dirección correcta, y si Raptor cumple parcialmente algunas de sus promesas, el futuro podría ser muy brillante. Si SpaceX realmente llega a Marte, Raptor tendrá un papel muy importante que desempeñar.

Actualizado el 1 de agosto de 2019 a las 11:10 a.m.: el artículo se actualizó para aclarar cómo se usa el metano en los motores Raptor.

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