La criobiología está abriendo nuevas fronteras en el ámbito de la investigación espacial. Así, ha abierto posibilidades como el desarrollo de tecnologías avanzadas de criopreservación para biobancos, y está siendo un soporte fundamental para el diseño de viajes espaciales de larga duración.
Los importantes desarrollos en ingeniería criogénica de los últimos años han abierto puertas hasta ahora cerradas en multitud de industrias, y la aeroespacial no es una excepción. En este sentido, su aplicación de vanguardia en sistemas de propulsión para satélites espaciales destaca como una de las oportunidades más prometedoras en el presente y el futuro.
La propulsión en el espacio se apoya en alta tecnología criogénica en muchos aspectos. Es el caso de algunas técnicas relacionadas con la criobiología, usadas para llevar a cabo simulaciones en las que se analizan los efectos del frío extremo en ciertos componentes fundamentales, como las placas solares. Todo ello con el objetivo de optimizar la tecnología capaz de propulsar un cohete.
También podría interesarte: Últimos avances en ingeniería criogénica: ¿qué depara el futuro del sector?
Misiones importantes como Artemis III ya han empleado un sistema de propulsión criogénica provisional (ICPS) para enviar astronautas a la Luna en misiones de alta demanda. En vistas a su importancia creciente en la industria aeroespacial, analizamos el papel de la criobiología en la propulsión y otras aplicaciones.
¿Qué es la criobiología?
La criobiología es la rama de la biología que estudia los efectos de las bajas temperaturas en los seres vivos y los materiales biológicos en general.
¿Para qué sirve?
Como rama científica, la criobiología presenta hoy en día multitud de aplicaciones en diversas industrias. Es el caso de la medicina y la investigación biológica, donde se utilizan técnicas de congelación y descongelación controladas para la preservación de tejidos, células y órganos a temperaturas muy bajas. Un ejemplo específico que puede citarse en este área es la criopreservación de embriones.
En el contexto de la industria aeroespacial, se está explorando el potencial de la criobiología en procesos de preservación de muestras biológicas, pero también de alimentos, biobancos y preservación de la biodiversidad. Además, como explicamos más abajo, la propulsión espacial para satélites está experimentando con técnicas empleadas en esta rama de la criogenia para la gestión de temperaturas extremas en diversas aplicaciones.
Aplicación de la criobiología en la propulsión espacial
La criobiología en el diseño de propulsores
La criogenia se alza como un elemento fundamental para la manipulación y almacenamiento de ciertos propulsores, que requieren de bajas tecnologías, como el hidrógeno y oxígeno en estado líquido.
Capaces de aumentar la eficiencia de la propulsión en el espacio, generan una gran cantidad de energía al ser combinados en la cámara de combustión. Para ello, deben ser empleados en rangos de temperatura entre -200º y -160ºC, lo cual implica el uso de equipo e ingeniería criogénica.
A su vez, técnicas propias de la criobiología también están facilitando la puesta en marcha de ensayos de temperatura extrema vinculados a los sistemas de propulsión.
En estos ensayos se utilizan técnicas criobiológicas (como la aplicación de nitrógeno líquido y cámaras de vacío), capaces de simular las condiciones del espacio exterior. De este modo, estos sistemas son probados en condiciones de frío extremo para asegurar su operatividad en el espacio, pudiendo analizar en condiciones de laboratorio sus potenciales cambios en eficiencia o resistencia estructural, entre otros parámetros.
De igual modo, este tipo de ensayos se aplican a sistemas de control de contenedores criogénicos, en vistas a garantizar el almacenamiento y transporte seguro de los combustibles.
En este sentido, compañías como SpaceX ya han puesto el foco en los ensayos criogénicos para sus prototipos de nave espacial. Todo ello teniendo en cuenta que la falta de control en variables como los cambios bruscos de temperatura o presiones extremas pueden comprometer totalmente la seguridad de un lanzamiento. Así, se sabe que esta compañía ha desarrollado al menos tres docenas de tests diferentes, en los que se han puesto a prueba múltiples prototipos, tanques e impulsores.
El resultado es un diseño optimizado para los equipos espaciales, desarrollando tecnologías capaces de resistir y alcanzar su máximo potencial incluso en entornos extremos.
Aplicación del nitrógeno
La aplicación del nitrógeno líquido es una técnica importante en el campo de la criobiología. Este procedimiento implica utilizar este elemento para alcanzar temperaturas extremadamente bajas, necesarias para los ensayos de temperatura extrema que acabamos de describir.
Para ello, se emplean cámaras climáticas especializadas que permiten realizar pruebas controladas en un entorno de laboratorio y similares a las condiciones en el espacio. En este sentido, el nitrógeno líquido es particularmente útil porque permite un control preciso de la temperatura dentro de la cámara de ensayo, llegando hasta -196 °C (-321 °F).
Sigue aprendiendo: Usos del nitrógeno en la industria criogénica
Componentes electrónicos y materiales estructurales son sometidos a la aplicación de nitrógeno para observar su reacción (resistencia, durabilidad, expansión, contracción…).
Consideraciones de seguridad y fiabilidad para los propulsores criogénicos
Todos estos desarrollos y procedimientos deben tener la seguridad y fiabilidad como prioridad, con el objetivo principal de garantizar el éxito de las misiones. Así, algunas de las consideraciones de seguridad fundamentales incluyen:
- Diseño de tanques de almacenamiento seguros, capaces de soportar las bajas temperaturas y presiones asociadas con los propulsores criogénicos, evitando fugas.
- Elección de materiales compatibles para la construcción de tanques y tuberías.
- Garantías en el control de la temperatura de modo que los propulsores no se evaporen y pierdan eficiencia.
- Protección del personal ante las operaciones con sustancias a temperaturas criogénicas y establecimiento de procedimientos de emergencia.
- Generación de pruebas rigurosas para cualquier componente dentro del sistema criogénico.
- Ejecución de protocolos de mantenimiento predictivo para detectar y corregir problemas antes de que se conviertan en fallos críticos.
Ventajas y beneficios de la aplicación de la criobiología en investigación espacial
Mayor eficiencia en misiones espaciales
La aplicación de las tecnologías derivadas de la criobiología está permitiendo optimizar la propulsión. Los cohetes se prueban y diseñan para alcanzar mayores velocidades y transportan más carga útil con menos combustible.
Mayor fiabilidad en ambientes extremos
Estos procedimientos también abren la puerta a una protección de componentes electrónicos mejorada, gracias a los ensayos de temperatura extrema.
Igualmente, las tecnologías criogénicas sientan las bases para desarrollar la operación segura de los propulsores, minimizando los riesgos de fugas y explosiones.
Sistemas de almacenamiento de combustible para satélites
Desarrollo de tecnologías de almacenamiento criogénico
El avance en las tecnologías de almacenamiento criogénico está detrás desarrollos de vanguardia en campos tan diversos como la medicina y la biología, y la industria aeroespacial no es una excepción.
En los últimos años, la ingeniería criogénica ha superado desafíos técnicos importantes, abriendo nuevas posibilidades para el almacenamiento y manejo de materiales a temperaturas extremadamente bajas.
Por ejemplo, se han producido mejoras en materiales de aislamiento para evitar la transferencia de calor. Esto, a su vez, ha permitido el diseño de tanques de almacenamiento avanzados que resisten la fragilización a bajas temperaturas y, en última instancia, conllevan una mayor durabilidad y fiabilidad.
Así, misiones como Artemis y Lunar Gateway se han beneficiado de avances en almacenamiento criogénico de vanguardia, facilitando el uso de propulsores criogénicos de forma cada vez más eficiente.
Desafíos en el almacenamiento criogénico
En los próximos años, el almacenamiento criogénico deberá resolver una serie de desafíos técnicos y operativos que permitan maximizar la eficacia y seguridad de las misiones en el espacio.
Se espera que áreas como la gestión de fugas o pérdidas en los propulsores, los procesos de evaporación (boil-off) o la gestión de la presión experimenten mejoras importantes.
En este sentido, tecnologías emergentes como las innovaciones en materiales o los sistemas de recuperación de boil-off presentan avances prometedores que ya se están investigando.
De este modo, el desarrollo de almacenamiento criogénico avanzado tendrá en muchos aspectos la llave para el avance de la exploración espacial.
Consideraciones de seguridad y fiabilidad
El almacenamiento de combustibles criogénicos debe apoyarse en protocolos de seguridad y fiabilidad robustos.
Esto incluye, en primer lugar, un diseño adecuado del tanque de almacenamiento, que incorpore materiales resilientes, sistemas de aislamiento avanzados y una total integridad estructural.
Te puede interesar: Tuberías aisladas por vacío, la solución ideal para evitar pérdidas de temperatura y presión
Igualmente, los tanques deben estar preparados para el control de presión interna, e integrar sistemas de refrigeración y enfriamiento eficientes y con redundancias incorporadas.
A su vez, los sistemas de monitoreo y control (por ejemplo, sensores de alta precisión o tecnologías de automatización) resultan otro de los elementos imprescindibles en vistas a garantizar seguridad y fiabilidad.
Desde Cryospain, ponemos nuestro conocimiento en ingeniería criogénica al servicio de la industria aeroespacial. Así, hemos participado en proyectos de alta tecnología criogénica como las pruebas para tecnología SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, un revolucionario sistema de propulsión basado en helio e hidrógeno líquidos.
Como parte participante en este desarrollo, nos ocupamos de proporcionar sistemas avanzados de pipe-in-pipe capaces de transportar los fluidos conservando su estado líquido y minimizando la evaporación.Un pequeño paso para Cryospain, pero un gran paso para la industria aeroespacial que, apoyada en la criogenia más puntera, promete grandes sorpresas para las próximas décadas.
