Las palabras criogenia aeroespacial comúnmente evocan escenas futuristas, de humanos en cápsulas hibernando rumbo a otras galaxias. La realidad es que la criogenia espacial lleva décadas siendo una tecnología clave para la conquista de horizontes más allá de la Tierra.
Es más, ya en 1967 la NASA consiguió lo impensable: utilizar hidrógeno líquido como combustible para la misión Apolo 11. Un hito que no solo llevó al hombre a la Luna por primera vez, sino también marcó un antes y un después en el dominio de la ingeniería criogénica.
Hoy, la criogenia aeroespacial continúa siendo catalizadora de grandes avances en esta industria: desde la generación de combustibles cada vez más eficientes, a la fabricación de componentes de alta calidad para los sistemas aeronáuticos.
La criogenia espacial conforma un complejo ecosistema en el que se desarrollan tecnologías altamente avanzadas para fomentar la seguridad a temperaturas extremas. En este contexto, los sistemas de almacenamiento en tanques criogénicos y de control de temperatura y presión suponen dos de los desarrollos más importantes. Un escenario en el que las medidas de seguridad y la elección del partner criogénico adecuado marca la diferencia. Lo analizamos.
Criogenia aeroespacial: ¿A qué hace referencia?
La criogenia aeroespacial se refiere a las tecnologías aplicadas a la exploración espacial que se desarrollan en entornos de temperaturas extremadamente bajas (por debajo de los -150 °C).
En este sentido, la criogenia espacial abarca un amplio abanico de tecnologías: desde el desarrollo de combustibles criogénicos, a sistemas de almacenamiento y técnicas de fabricación de componentes.
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Todos ellos tienen en común que, para su desarrollo, es preciso emplear técnicas de ingeniería criogénica, capaces de prever y manejar el comportamiento de materiales y fluidos en condiciones de frío extremo.
Por qué se usan temperaturas extremas en las misiones espaciales
Hay varias razones por las que las temperaturas criogénicas son beneficiosas en el contexto de las misiones espaciales:
- Desarrollo de combustibles más eficientes: uso de hidrógeno líquido u oxígeno líquido otorgan un alto impulso específico como combustibles espaciales, útil para salir de la gravedad terrestre. Para hacer uso de estos elementos, es preciso almacenarlos en estado líquido, ya que ocupan un volumen mucho menor. Es aquí donde entra en juego la criogenia aeroespacial, capaz de mantener las condiciones adecuadas.
- Fabricación de materiales: la criogenia juega también un papel importante en la fabricación de componentes para los sistemas aeronáuticos. En particular, se han desarrollado procesos de soldadura criogénica y mecanizado criogénico que permiten obtener componentes de mayor calidad y con una mayor vida útil. Así, la criogenia se ocupa de enfriar componentes durante estos procesos, evitando el impacto negativo de las altas temperaturas. En última instancia, las condiciones de frío extremo permiten crear piezas más resistentes, además de testear y validar componentes bajo esas circunstancias.
Oxígeno e hidrógeno líquidos: protagonistas de la revolución en combustibles criogénicos
La combinación de oxígeno e hidrógeno líquidos se emplea como un combustible que proporciona un alto impulso específico. Así, se trata de una de las mezclas más eficientes en términos de empuje por unidad de masa y que, además, proporciona una combustión eficiente y limpia a nivel medioambiental (ya que, tras su combustión, produce principalmente vapor de agua).
Más específicamente, esta mezcla de combustibles criogénicos entra en juego superada la primera fase del impulso, en etapas especialmente críticas para colocar satélites en órbitas precisas o para misiones interplanetarias. Un uso que requiere una alta eficiencia energética capaz de vencer la gravedad terrestre.
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Con una temperatura de licuefacción de alrededor de -253 °C, el hidrógeno líquido (LH₂) es un combustible extremadamente ligero pero requiere de un aislamiento térmico complejo, debido a su baja densidad y alta volatilidad. Para su almacenamiento, entran en juego equipos avanzados como los tanques para almacenamiento de hidrógeno líquido.
Por su parte, el oxígeno líquido (LOX) cuenta con una temperatura de licuefacción de aproximadamente -183 °C. En comparación con el LH₂, es relativamente fácil de producir y manejar, pero también requiere de condiciones específicas y tecnología criogénica avanzada para lograr un uso eficiente y seguro.
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Criogenia y motor espacial: cómo la criogenia potencia el rendimiento
El papel del combustible criogénico en la propulsión espacial
El combustible criogénico está abriendo un sinfín de posibilidades en la exploración espacial.
En general, se puede definir como combustible criogénico cualquier sustancia que deba ser almacenada a temperaturas inferiores a -150°C para su empleo como propelente. La mezcla de hidrógeno y oxígeno líquidos que hemos descrito más arriba es una de las más utilizadas, pero existen otras combinaciones.
Este tipo de combustibles se alzan como una opción clave para misiones espaciales de largo alcance por sus ventajas únicas, incluyendo:
- Gran eficiencia energética gracias a su impulso específico (un empuje por unidad de masa mayor que el consumo de combustible) y su combustión eficiente.
- Buena relación empuje-peso, ya que se trata de combustibles ligeros, que reducen el peso del sistema de propulsión.
- Almacenamiento en volúmenes pequeños gracias a su estado líquido, de modo que se dispone de grandes cantidades de energía en volúmenes relativamente pequeños.
- Combustión limpia, ya que muchos de estos combustibles principalmente generan vapor de agua como subproducto, a diferencia de los combustibles fósiles.
Cómo se integran los sistemas criogénicos en los motores espaciales
Los sistemas criogénicos quedan integrados en el motor criogénico, un complejo ecosistema diseñado para la propulsión eficiente en el que cada componente debe actuar en sinergia con los demás.
Entre los principales componentes de un motor criogénico se incluyen:
- Cámara de combustión
- Inyector de combustible
- Iniciador pirotécnico
- Turbobombas para combustible y oxidante
- Válvulas criogénicas
- Reguladores
- Tanques de combustible
- Toberas de motor
Aplicaciones de la criogenia aeroespacial: almacenamiento y control en condiciones extremas
Almacenamiento: tanques criogénicos y su rol en las misiones espaciales
Los tanques criogénicos son los equipos encargados del almacenamiento de sustancias a temperaturas criogénicas. Su principal función es satisfacer la demanda de combustible en todo momento, garantizando a su vez la seguridad.
Los tanques criogénicos para criogenia aeroespacial deben reunir una serie de características fundamentales:
- Capacidad y presión aptas para la demanda de combustible específica de la misión. Por ejemplo, en el caso del tanque criogénico de Cryospain para hidrógeno líquido, se diseñó un sistema para almacenar hasta 12 metros cúbicos de hidrógeno líquido y presión de diseño de 16 bar.
- Materiales de construcción a prueba de corrosión y bajas temperaturas. Los materiales deben garantizar la integridad del tanque en las condiciones previstas, siendo duraderos y resistentes a bajas temperaturas. En el ejemplo anterior, se utilizó acero inoxidable 316/316L.
- Aislamiento térmico. Una característica indispensable para mantener las sustancias almacenadas en estado líquido. Los sistemas de aislamiento avanzados combinan el vacío con un aislamiento multicapa.
Control de presión y temperatura
Presión y temperatura son dos de los parámetros clave para el desarrollo de sistemas seguros de criogenia aeroespacial.
Por un lado, las válvulas de alivio de presión se emplean para evitar problemas de presión excesiva, abriéndose en caso de que la presión supere un umbral determinado. Deben estar fabricadas para soportar las temperaturas extremas propias de los sistemas criogénicos.
Igualmente, otros componentes como las válvulas específicas para controlar el flujo de combustible deben estar fabricadas para garantizar un sellado completo, evitando posibles fugas en todo momento, o cualquier escenario en el que el líquido pudiera entrar en ebullición.
Por otro lado, se utilizan sensores de monitoreo de temperaturas y presión para garantizar que se mantienen las condiciones óptimas en todo momento.
Medidas de seguridad imprescindibles
Los entornos y equipos criogénicos presentan riesgos específicos que deben ser abordados a la hora de diseñar tecnologías de criogenia espacial. Estos riesgos incluyen la posibilidad de incendios y explosiones, además de asfixia o quemaduras. Por ejemplo, la acumulación de hidrógeno en el aire puede desplazar el oxígeno y producir asfixia, además de ser extremadamente inflamable. Por su parte, la acumulación de oxígeno puede causar incendios en caso de existir una fuente de ignición.
Las siguientes son algunas de las medidas de seguridad fundamentales para evitar este tipo de riesgos:
- Protocolos de ventilación para prevenir la acumulación de gases (en caso de evaporación de las sustancias criogénicas).
- Instalación de sensores para la detección de fugas.
- Empleo de sistemas de control y alivio de presión para liberar automáticamente la presión en caso de que se sobrepasen los límites seguros.
- Cualquier equipo humano que vaya a establecer contacto con un equipo criogénico deberá llevar equipo de protección específico, incluyendo una protección facial completa, gafas de seguridad, guantes holgados de aislamiento térmico o de cuero, camisas de manga larga y pantalones sin puños. En caso de manipular contenedores, será también imprescindible el uso de calzado de seguridad.
Cryospain: experto en soluciones de criogenia aeroespacial
Desde Cryospain, ponemos nuestros conocimientos en ingeniería criogénica al servicio de nuestros clientes para convertirnos en los aliados aliados que necesitan para el desarrollo de tecnología de criogenia aeroespacial avanzada.
Así lo acredita nuestra participación en proyectos de diseño y fabricación de tanques criogénicos para el sector, o nuestros sistemas de pipe-in-pipe para pruebas para tecnología SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), un vanguardista sistema de propulsión basado en helio e hidrógeno líquidos.
¿Quieres saber más sobre nuestro rol en el desarrollo de sistemas de criogenia aeroespacial? Ponte en contacto con nosotros y habla con nuestro equipo de expertos.
