Sin duda la exploración espacial ha ocupado un lugar importante dentro de los intereses de la humanidad dentro en los últimos 50 años. Nombres como Challenger, Apolo o Columbia no son ajenos a ninguna persona con acceso a radio o televisión que haya vivido durante las décadas entre los 70 y 90. Todos estos nombres forman parte de los logros de la humanidad en el siglo XX durante el apogeo de la exploración espacial.
Tanto los viajes tripulados como los de carga han sido posibles gracias a una larga cadena de avances tecnológicos y científicos que han nutrido a las agencias espaciales desde los inicios de la carrera espacial hasta sus años posteriores. Ingenieros y científicos de todo el mundo han puesto sus esfuerzos en mejorar tanto la fiabilidad y seguridad de la misión, como en optimizar los equipos para hacer estos viajes a un menor costo posible, llevándolos a explorar dentro de las tecnologías más innovadoras e interesantes, entre ellas, la propulsión con cohetes de combustible sólidos.
Los cohetes de combustible sólidos son utilizados como aceleradores de transbordadores espaciales durante los dos primeros minutos de vuelo. Estos se componen principalmente por una carcasa, una capa de aislación, una tobera, la carga propulsora (combustible sólido) y un encendedor para dar comienzo a la ignición del sistema. La mayor novedad de este sistema de propulsión recae justamente en el tipo de combustible que se utiliza (en estado sólido), lo que entrega muchas ventajas versus los sistemas de propulsión con combustibles líquidos.
Figura 1. Lanzamiento del transbordador espacial Discovery
Uno de los puntos de mayor importancia es la alta densidad de estos combustibles comparados con otros combustibles líquidos, pudiendo almacenar una mayor cantidad de “energía” dentro de una misma geometría. El hecho de que el combustible esté en estado sólido y sea notoriamente menos volátil que los combustibles líquidos, hace que su almacenaje sea más seguro y sencillo, siendo su manejo mucho más simple y reduciendo tanto los costos de construcción como de disposición.
El material “propulsor” es una mezcla entre un agente oxidante, un material a oxidar y un ligante. Generalmente se utiliza Perclorato de amonio (NH4ClO4) como agente oxidante, aluminio atomizado como combustible (Al) y HTPB (polibutadieno con radicales hidroxilo) como ligante (CxHyOz). La reacción entre estos compuestos genera distintos gases, que dentro de la cámara de combustión pueden llegar hasta los 3400 [K] de temperatura y 2200 [K] al salir expulsados por la tobera (dada la expansión que se da).
El diseño de tobera es la que permite la salida de gases, la cual a su vez también regula la tasa de quema del combustible sólido, encapsulado en la estructura principal. Estos pueden llegar a escapar por la tobera a velocidades de hasta 1500 m/s, generando el empuje necesario para acelerar, por ejemplo, un transbordador espacial en conjunto con los dos cohetes de aceleración que comúnmente constituyen la configuración típica de un lanzamiento. Este conjunto pesa aproximadamente 2000 toneladas.
Dependiendo de la sección transversal de la distribución de combustible en el cohete es como se comportará el impulso durante la aceleración. Dado que la combustión se da en la zona central del cohete y el impulso depende directamente del área de quema de éste, la geometría de la “perforación” central determina el tipo vuelo que pueda dar el propulsor. Por ejemplo, si la geometría consiste en un círculo (tubular, véase figura 3), el tipo de impulso será progresivo, dado que el área de combustión ira aumentando a medida que el combustible se quema, por lo que, el impulso ira aumentando con el tiempo, mientras que en uno multifin (n °4 en la figura 3) en un comienzo el área de quemado es mayor, pero a medida que aumenta el radio de quema el área no aumenta en gran medida, manteniéndose el impulso constante en la mayoría del vuelo.
La oxidación de combustibles sólidos es altamente energética, por ejemplo, si se lleva a una escala comparativa en combustibles conocidos, la oxidación del Aluminio (Al) entrega 83781 MJ/m3, mientras que el propano genera 99 MJ/m3, generando 846 veces menos energía por metro cubico de combustible. En la figura 4 se puede ver las diferencias proporcionales de combustibles sólidos (Al y Fe) con las de combustibles gaseosos (Hidrogeno, metano y propano).
Además de la característica de alto poder calorífico por unidad de volumen de los combustibles sólidos es importante saber que las reacciones ocurren en distintos estados (solido, líquido o gaseoso) según el material, por ejemplo, la oxidación del aluminio es en estado líquido (> 2000°C) y la del hierro es en estado sólido (870°C). Esto permite que se puedan definir aplicaciones de distintos tipos, como es el caso de las lanzas térmicas que se utilizan para cortar o perforar por fusión cualquier material existente.
El utilizar la energía de un sólido que reacciona en este estado, como es el caso del hierro, tiene una aplicación muy relevante en los procesos de fundición, pues para perforar los tapones que sostienen el material fundido (líquido) dentro del horno se requieren materiales de alta resistencia a la energía calórica. Para perforar estos tapones, la industria lleva más de 130 años desarrollando distintas tecnologías sin que se logre hasta hoy un producto que pueda abrir efectivamente el 100% de estos tapones diferente a las lanzas térmicas. Por lo cual, paralelamente a estos desarrollos se sigue investigando y trabajando en la reacción del Fe con el O2 para perfeccionar las lanzas térmicas que son la única herramienta que logra perforar el 100% de los tapones.
A partir de todo esto se podría decir que en las naves espaciales se aprovecha la transformación de la alta energía térmica de los combustibles sólidos, en alta energía cinética que deriva en un gran empuje, mientras que en el caso de las fundiciones se aprovecha la alta energía térmica en estado sólido del hierro, para concentrar ésta en un punto preciso y fundir el tapón. En ambas situaciones no se lograría el resultado esperado con combustibles convencionales.
Curiosamente la optimización de las lanzas térmicas pasa por desarrollos de configuraciones muy parecidas a las de las toberas de los cohetes espaciales, como muestra la Figura 5.
