El desarrollo de combustible criogénico es, en muchos sentidos, el responsable de facilitar una nueva era de exploración espacial.
Si bien los viajes espaciales han sido siempre sinónimo de innovación, los vinculados a los líquidos criogénicos para la propulsión espacial destacan actualmente por su papel central en llevar al ser humano más allá de las fronteras conocidas.
Explicado de forma simple, el combustible criogénico supone el uso de combustibles que se encuentran en estado líquido a temperaturas extremadamente bajas. Esto brinda la posibilidad de utilizar elementos con una alta eficiencia energética (principalmente hidrógeno y oxígeno líquidos), abriendo la puerta a viajes cada vez más largos y con un menor impacto ambiental.
Hoy nos centramos en hacer un repaso al funcionamiento de esos elementos en la forma de gases criogénicos, explicando sus ventajas y los principales desafíos que implica su uso, como su almacenamiento a temperaturas extremas.
¿Qué son los combustibles criogénicos?
La categoría de combustibles criogénicos se refiere a aquellos combustibles que, por sus características y para mantenerse en estado líquido, deben ser almacenados a temperaturas inferiores a -150°C.
Estos compuestos son altamente valorados por ofrecer una alta densidad energética, es decir, por ser capaces de generar una cantidad significativa de energía en relación con su masa. Así, los combustibles criogénicos se perfilan como un recurso clave para el lanzamiento y propulsión de cohetes, especialmente en misiones de gran alcance.
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¿Cuáles son los gases criogénicos esenciales en la propulsión espacial?
En lo que se refiere a la propulsión espacial, los elementos utilizados como combustible criogénico más comunes en la actualidad son el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido, que ya han sido empleados en cohetes como el Saturn V, o el SLS.
- El hidrógeno líquido (LH2) requiere una temperatura de almacenamiento de ~ -253°C para mantenerse en su forma líquida. Se emplea principalmente como combustible en motores de alto rendimiento. Debido a sus características, requiere de sistemas de almacenamiento criogénico complejos, con tanques de gran volumen y perfectamente aislados.
- El oxígeno líquido (LOX) necesita temperaturas de almacenamiento de ~ -183°C, y se emplea principalmente como oxidante en los motores, al ser capaz de proporcionar una alta reactividad y ser sencillo de producir y utilizar. De nuevo, es preciso un sistema de almacenamiento específico que garantice su aislamiento para evitar evaporación.
Estos elementos se almacenan a temperaturas extremadamente bajas gracias a equipos criogénicos, que son capaces de mantenerlos en estado líquido y aprovechar sus propiedades para la propulsión.
Combinados, hidrógeno y oxígeno líquido generan el hidrolox, un combustible criogénico altamente eficiente y que, además, facilita el desarrollo de misiones espaciales “limpias”, ya su combustión solo produce vapor de agua.
El papel de los líquidos criogénicos en los motores espaciales
El hidrógeno en su forma líquida es el responsable de alimentar los motores de los cohetes espaciales.
De hecho, es la combustión de oxígeno e hidrógeno lo que impulsa al cohete durante los primeros diez minutos de vuelo, claves para el éxito de cualquier misión espacial.
El proceso tiene lugar del siguiente modo: durante los dos primeros minutos del despegue de un cohete, el empuje es proporcionado por impulsores de propulsor sólido. Estos impulsores laterales proporcionan el 90% de la potencia necesaria para el despegue. Tras este periodo inicial, la etapa criogénica principal toma el control. Esta etapa consta de dos tanques: un tanque de hidrógeno y un tanque de oxígeno.
Además, debido a su alto rendimiento, los combustibles criogénicos también se utilizan para sistemas de propulsión de etapas superiores en cohetes, como en el caso de la etapa de propulsión criogénica provisional (ICPS) de Artemis III.
En este sentido, el uso del hidrógeno líquido es actualmente irremplazable para la propulsión espacial por su capacidad de reducir considerablemente la masa y el volumen de los lanzadores.
Su desarrollo, además, está siendo clave para desentrañar los retos para el avance de la economía del hidrógeno verde, incluyendo el diseño de depósitos de hidrógeno criogénico cada vez más eficientes.
Es el caso de proyectos como el tanque criogénico para el sector aeroespacial desarrollado por Cryospain, capaz de satisfacer las demandas de combustible en lanzamientos de cohetes y pruebas de motores a gran escala.
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Ventajas del combustible criogénico en la exploración espacial
Alta eficiencia energética y rendimiento
El combustible criogénico ha probado su capacidad para ofrecer una alta eficiencia específica (impulso generado por unidad de combustible), lo cual permite un mejor rendimiento y mayor capacidad de carga.
Sostenibilidad y futuro de la exploración
La combustión de hidrógeno y oxígeno no produce contaminantes, de modo que su uso como combustible criogénico destaca para permitir viajes interespaciales sostenibles. En este sentido, resulta vital que se continúen realizando esfuerzos para lograr un proceso de producción de hidrógeno sin huellas de carbono.
A su vez, ambos elementos son abundantes tanto en la Tierra como en el espacio, por lo que resultan una apuesta clave para continuar avanzando en el futuro de la exploración espacial.
Desafíos técnicos en el almacenamiento de combustibles criogénicos
Desarrollo de depósitos criogénicos para el almacenamiento seguro
El principal desafío técnico de los líquidos criogénicos viene dado por la necesidad de diseñar sistemas de almacenamiento extremadamente avanzados en lo que se refiere a aislamiento térmico y control de presiones para evitar pérdidas por evaporación.
La realidad es que la infraestructura para la producción, almacenamiento y transporte de combustibles criogénicos es, a día de hoy, costosa, y su manipulación requiere un alto nivel de especialización.
Por ello, la mejora de la eficiencia en estos sistemas de almacenamiento y transporte criogénico será clave para hacer que esta tecnología sea más asequible y viable para misiones espaciales más largas.
Las decisiones en torno a la elección de materiales juegan un papel destacado en este desarrollo. Así, los materiales deben ser compatibles con los combustibles, presentar una alta resistencia, ligeros, viables a nivel económico y medioambiental, y no presentar problemas a nivel de expansión térmica o permeabilidad.
Gestión de temperaturas extremas y fugas
La gestión de temperaturas extremas y fugas en los depósitos resulta otro asunto clave para la creación de depósitos para combustible criogénico.
En este sentido, el hidrógeno presenta un diámetro molecular tendente a las fugas. Además, una concentración de solo un 4% de este elemento constituye un riesgo de incendio. Esta característica apunta a la gestión de fugas y resistencia de los tanques como otro de los retos clave para el avance del combustible criogénico tanto en la propulsión espacial como en otras aplicaciones potenciales, como la aeronáutica.
El papel de la criogenia en las misiones espaciales del presente y del futuro
La criogenia es la ciencia dedicada a estudiar los efectos y aplicaciones de las temperaturas extremadamente bajas. Como tal, hay diversas aplicaciones criogénicas que desempeñan un papel fundamental en diversas áreas de la exploración espacial.
Propulsión espacial: del lanzamiento a las misiones interplanetarias
Como hemos repasado a lo largo del artículo la propulsión espacial mediante combustibles criogénicos supone, hoy, uno de los principales agentes capaz de enviar misiones más allá de las fronteras terrestres.
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Las investigaciones actuales apuntan, además, a que el papel de estos elementos va a continuar siendo crucial. Es el caso del creciente interés en la exploración de Marte y otras misiones de largo alcance hacia el espacio profundo, escenarios en los que los combustibles criogénicos se perfilan como una de las opciones más viables.
Innovaciones futuras en otras aplicaciones criogénicas
Pero las aplicaciones criogénicas para la innovación espacial van más allá del desarrollo de combustibles. Así, algunas de las áreas en las que la criogenia está permitiendo avanzar en la investigación espacial incluyen:
- Desarrollo de componentes de electrónica criogénica. Se trata de componentes electrónicos que, a temperaturas criogénicas, mejoran su conductividad térmica y eléctrica y que serán clave para mejorar la eficiencia de las misiones hoy y en el futuro.
- Empleo de tecnología de vacío para simular condiciones similares a las del espacio. Un paso crucial para evaluar el rendimiento de los componentes y sistemas y garantizar que son fiables en condiciones reales.
- Sistemas de gestión térmica de satélites. La criogenia está siendo clave en el desarrollo de instrumentos vinculados a la exploración espacial, como las herramientas de alta sensibilidad para realizar mediciones astronómicas.
Cryospain: expertos en soluciones criogénicas para el sector aeroespacial
El compromiso con la criogenia más avanzada de Cryospain nos posiciona como uno de los aliados clave para el desarrollo de sistemas de almacenamiento criogénico y skid a medida para los desarrollos más ambiciosos de la carrera espacial actual.
Una capacidad que se ha revelado como clave en algunos de nuestros proyectos más recientes para el sector aeroespacial:
- Desarrollo de un tanque criogénico para hidrógeno líquido en Alemania. Un proyecto en el que hemos incorporado sistemas punteros como un sistema de aislamiento multicapa combinado con aislamiento al vacío para minimizar la transferencia de calor y capacidades para satisfacer las demandas de combustible en lanzamientos de cohetes y pruebas de motores a gran escala.
- Proyecto vinculado al oxígeno líquido para lanzaderas, en el que nos encargamos de la construcción de dos skids para el suministro de oxígeno líquido en el proyecto de la startup francesa SpaceDreams, involucrado en la creación de revolucionarias bases de lanzamiento de cohetes móviles y estandarizadas. Un proyecto en el que nuestra capacidad para el desarrollo de skids de bomba criogénica a medida ha sido clave.
Desde Cryospain, nos situamos así a la vanguardia del uso de combustibles criogénicos, facilitando un almacenamiento y uso seguro y fiable en los proyectos más punteros de hoy. ¿Quieres saber más? Ponte en contacto con nosotros y habla con nuestro equipo.
