Limitaciones de los Sistemas de Propulsión Química en Cohetes Espaciales

Las misiones espaciales actuales dependen en gran medida de la propulsión química para el lanzamiento al espacio, para cambiar órbitas y para el control de actitud.

Para el lanzamiento, se utilizan cohetes con motores de propulsión química porque simplemente no existe otra forma de colocar algo en órbita. La tecnología de lanzadores ha mejorado mucho en los últimos 60 años, de modo que los cohetes ahora pueden transportar sus cargas útiles con mayor precisión a la órbita deseada, son capaces de colocar múltiples satélites en diferentes órbitas y hacerlo con una fiabilidad y seguridad aumentadas.

Sin embargo, las mejoras en la capacidad real de carga útil y el costo de lanzamiento no han sido dramáticas. Los motores cohete han aumentado algo su eficiencia, pero los incrementos en el empuje por cantidad de propelente han sido relativamente pequeños.

Parece que actualmente estamos llegando a los límites del rendimiento de la propulsión química. Cualquier pequeño aumento en la eficiencia ahora requiere tales cantidades de trabajo de desarrollo, tiempo y dinero que a menudo no merece la pena el esfuerzo.

Además, las masas estructurales (la masa de los tanques de propelente y estructuras de soporte) de los distintos estadios de los cohetes no han mejorado mucho en los últimos 50 años. Los lanzadores que se usan hoy en día son muy similares a los que se desarrollaron en los años 50 para lanzar bombas nucleares a otros países. Cohetes modernos como el estadounidense Atlas V y el ruso Soyuz son incluso descendientes directos de los primeros misiles balísticos intercontinentales.

En general, la masa total que un tipo y tamaño determinado de lanzador puede colocar en una órbita determinada no ha mejorado mucho desde los años 60.

Mirando, por ejemplo, la masa total de carga útil de satélites que los lanzadores pueden colocar en una órbita terrestre baja (LEO) como porcentaje de su masa total de despegue, se hace evidente que este número ha estado cerca del 3.5% durante los últimos 40 años aproximadamente (la órbita terrestre baja se extiende hasta una altitud de unos 2000 kilómetros o 1240 millas).

Para cargas útiles de órbita de transferencia geoestacionaria (GTO), ese porcentaje ha sido un 1.5% constante durante el mismo periodo. Una órbita de transferencia geoestacionaria es una órbita elíptica en la que un satélite geoestacionario se lanza inicialmente para alcanzar la altitud de la órbita geoestacionaria; en el apogeo de la órbita de transferencia, se enciende un motor cohete para colocarlo en una órbita circular geoestacionaria.

Para muchos lanzadores modernos, estos porcentajes son incluso más bajos, dependiendo de lo que el cohete esté diseñado para hacer y de su sofisticación.

Todos los lanzadores excepto el Transbordador Espacial siguen siendo del tipo desechable, lo que significa que solo pueden usarse una vez. Suelten sus estadios vacíos en el camino como medio de deshacerse del peso muerto. Estos estadios luego caen al océano o se queman en la atmósfera; equiparlos con equipos de recuperación como paracaídas o alas desplegables haría que el lanzador fuera demasiado pesado. Una vez que la carga de satélites ha sido colocada en órbita, ninguna parte de estas máquinas caras queda para su reutilización.

Así, esta es una forma extremadamente cara de transportar cosas. Un lanzador de tamaño mediano como el ruso Soyuz-Fregat puede colocar una nave espacial de 1100 kilogramos (2400 libras) en un viaje a Marte, pero al hacerlo, desecha 26 toneladas métricas (57,000 libras) de hardware cohete precioso (así como 289 toneladas métricas (640,000 libras) de propelente, pero que es relativamente barato). Un lanzamiento con Soyuz-Fregat cuesta alrededor de $45 millones, lo cual es en realidad relativamente barato comparado con la mayoría de los lanzadores europeos y estadounidenses.

Las mejoras en cómo desarrollamos, producimos y operamos lanzadores aún pueden disminuir los costos de lanzamiento en cierta medida, como lo ha demostrado SpaceX con su serie Falcon de lanzadores, pero no debemos esperar una disminución dramática en los costos de lanzamiento por kilogramo de satélite en órbita con cualquier nuevo lanzador desechable.

Una forma obvia de reducir los costos de lanzamiento es reutilizar cohetes. En lugar de tener que pagar por uno completamente nuevo cada vez que necesitamos lanzar una nave espacial, entonces solo tendríamos que pagar por los propelentes, operaciones y mantenimiento del vehículo de lanzamiento, como ocurre con un avión. Los aviones no se desechan después de cada vuelo.

La razón por la que los cohetes desechables siguen siendo la norma es que no hemos tenido mucho éxito desarrollando sistemas reutilizables. Para hacer un vehículo de lanzamiento capaz de ser utilizado nuevamente, necesita equipo adicional para regresar a la Tierra. Escudos térmicos, alas, paracaídas y propelente adicional para el aterrizaje hacen que los sistemas reutilizables sean relativamente pesados.

Como los satélites en la parte superior de los lanzadores desechables representan solo un par de porcentajes de la masa total del lanzamiento, la masa disponible para carga útil útil se consume fácilmente con componentes adicionales añadidos para hacer el sistema reutilizable.

El hecho de que la eficiencia de los motores cohete y las reducciones de masa estructural ya estén cerca de sus límites alcanzables significa que es muy difícil compensar el crecimiento de masa en un diseño de lanzador reutilizable. Muchos conceptos para sistemas reutilizables, por lo tanto, serían capaces solo de lanzar y regresar el vehículo mismo, sin ninguna masa destinada a carga útil como satélites y módulos de estaciones espaciales.

Los lanzadores reutilizables también son más difíciles y por lo tanto más caros de desarrollar que los lanzadores desechables. Además de la dificultad de desarrollar algo que pueda llegar a la órbita, ahora el vehículo también necesita estar diseñado para regresar, lo que implica la reentrada en la atmósfera, una fase de descenso y un aterrizaje suave.

Además, el uso de tales lanzadores requiere no solo una plataforma de lanzamiento sino también el desarrollo de infraestructura adicional, como un área segura de aterrizaje, edificios para mantenimiento de vehículos y motores, y instalaciones logísticas para almacenar y gestionar la distribución de piezas de repuesto.

En lugar de estos costos recurrentes para un sistema reutilizable, cada lanzamiento desechable implica un vehículo completamente nuevo, por lo que las operaciones se limitan a los preparativos del lanzamiento y al vuelo real. Además de esto, sin embargo, un lanzador reutilizable requiere inspección y mantenimiento antes de cada misión subsiguiente.

Los costos operativos para sistemas reutilizables son por lo tanto también más altos que en el caso de cohetes desechables. El Transbordador Espacial, por ejemplo, excluyendo el esfuerzo para sus motores principales, requiere un equipo de mantenimiento de unos 90 personas, cada una trabajando alrededor de 1000 horas después de cada misión. Esto cuesta unos $8 millones por vuelo solo en mano de obra de mantenimiento.

Junto con las horas de mantenimiento en los tres grandes motores principales del Transbordador Espacial y los dos cohetes de combustible sólido reutilizados, esto representa una gran cantidad de dinero que no necesita gastarse cuando se usan cohetes desechables de un solo uso.

Además, el sistema del Transbordador Espacial no es completamente reutilizable: el gran tanque externo marrón se descarta durante cada vuelo, por lo que se necesita uno nuevo para cada misión.

Los costos más altos de desarrollo, infraestructura y mantenimiento significan que operar lanzadores reutilizables puede resultar en precios de lanzamiento más bajos solo si realizan muchos vuelos cada año. Es similar a las aerolíneas comerciales, que necesitan mantener sus aviones en el aire durante tantas horas como sea posible para reducir costos. Esto requiere ciclos de mantenimiento cortos; de lo contrario, se necesitaría una flota grande y por tanto cara de vehículos.

Para justificar lanzar muchos vuelos espaciales, también necesitamos un gran número de clientes que requieran el lanzamiento de muchas más cargas útiles que las actuales. El mercado de lanzamientos aumentará significativamente solo si los precios de lanzamiento disminuyen drásticamente, lo que a su vez requiere sistemas reutilizables eficientes con poco mantenimiento.

Esta es una situación realmente difícil: los lanzamientos podrían ser más baratos si hubiera un mercado suficientemente grande, pero este mercado no crecerá hasta que los costos de lanzamiento disminuyan significativamente.

El mantenimiento del Transbordador Espacial (parcialmente reutilizable) resultó ser tan laborioso que las expectativas iniciales de lanzar alrededor de 60 misiones por año nunca se hicieron realidad; en un buen año, el transbordador se lanza aproximadamente seis veces.

Los altos costos de mantenimiento y reemplazo y la baja tasa de lanzamiento han resultado en costos de lanzamiento muy altos. Antes del desastre de Columbia, un lanzamiento del Transbordador Espacial con todas sus complicadas actividades pre-lanzamiento y equipo para vuelos tripulados costaba alrededor de $300 a $500 millones por vuelo.

Las restricciones de seguridad adicionales implementadas después de la pérdida de Columbia probablemente han elevado el costo actual a más de medio billón de dólares por vuelo. Esto convierte al Transbordador Espacial en el lanzador más caro, tanto en precio total de lanzamiento como en costo por kilogramo de carga útil colocada en órbita.

Para el número relativamente pequeño de lanzamientos de satélites por año actualmente, es más barato usar cohetes desechables. La razón por la que el Transbordador Espacial sigue en uso a pesar de sus desventajas es que es el único vehículo que tiene disponible Estados Unidos para vuelos espaciales tripulados.

De hecho, para las relativamente pocas misiones tripuladas que prevé para la Estación Espacial en la década de 2010 y para la Luna en la de 2020, la NASA ha determinado que será menos costoso operar cohetes y cápsulas clásicos desechables en lugar de algún tipo de sistema de transbordador reutilizable.

La NASA ha decidido por lo tanto que el sucesor del Transbordador Espacial para lanzar astronautas, el lanzador Ares I, será un sistema desechable que no será muy diferente de los cohetes utilizados para lanzar a los primeros astronautas pioneros de los programas espaciales Mercury, Gemini y Apollo en los años 60.

El Ares I tendrá en su parte superior una cápsula Orion que podría ser parcialmente reutilizable, pero que será de diseño muy similar a la combinación del Módulo de Comando y Servicio de Apollo de hace 40 años.

Para lanzar cargas grandes como módulos para bases lunares, la NASA desarrollará el Ares V, que será un cohete principalmente desechable (solo los cohetes de combustible sólido derivados del sistema del Transbordador Espacial podrían reutilizarse).

Nuevas versiones de los cohetes Ariane, Atlas, Delta y Soyuz también siguen siendo desarrolladas, y no parece que estos lanzadores desechables vayan a quedar obsoletos y sean reemplazados por vehículos lanzadores reutilizables en un futuro cercano.

Reducir radicalmente los precios de lanzamiento para los sistemas de propulsión cohete tradicionales, incluso mediante el uso de equipos reutilizables, es extremadamente difícil. La empresa SpaceX en Estados Unidos ofrece actualmente su lanzador Falcon 1 desechable, y el precio anunciado de $7 millones significa una caída significativa en precio respecto a la competencia, que es aproximadamente el doble para la misma carga útil.

Utilizando versiones más grandes del Falcon 1, SpaceX cree que podrá ofrecer precios del orden de $1000 por kilogramo de carga útil en órbita terrestre baja para 2010. Dado que el costo actual es de aproximadamente $5000 por kilogramo para lanzadores grandes (y alrededor de $10,000 por kilogramo para lanzadores pequeños con capacidades de carga útil reducidas), esto significaría un costo de lanzamiento significativamente menor.

Sin embargo, sigue siendo una cantidad considerable de dinero. Por ejemplo, teniendo en cuenta también la masa de la nave espacial, volar como turista espacial con SpaceX seguiría significando un precio de boleto de alrededor de $1 millón a $1.5 millones, mucho menos que los $20 millones pagados por recientes turistas espaciales que volaron con el ruso Soyuz a la Estación Espacial Internacional, pero aún mucho más de lo que la mayoría de la gente puede permitirse.

Algunas empresas privadas están desarrollando vehículos lanzadores reutilizables, habiendo determinado (o esperando) que con la tecnología actualmente disponible aún podría ser posible desarrollar lanzadores reutilizables económicamente viables.

Las agencias espaciales gubernamentales como la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA tampoco han abandonado por completo los lanzadores reutilizables. Conceptos innovadores como el vehículo suborbital “hopper” aún podrían hacer posibles costos de lanzamiento más bajos.

Un “hopper” es un vehículo reutilizable que no acelera hasta alcanzar toda la velocidad orbital pero entrega cargas útiles en el espacio a velocidades casi orbitales. Tal lanzador ahorra enormes cantidades de propelente al no tener que impulsar su propia masa hasta la órbita; la masa de un estadio impulsor adicional requerido para dar a la carga útil un poco más de velocidad es muy limitada en comparación.

También, futuras tecnologías como combinaciones de motores cohete y de avión capaces de aprovechar el oxígeno en la atmósfera para partes importantes del vuelo, y por lo tanto requiriendo menos propelente a bordo, podrían permitir el desarrollo de aviones espaciales eficientes.

Si conceptos y tecnologías novedosas pueden reducir los precios de lanzamiento a niveles que los hagan asequibles para países y organizaciones más pequeños para lanzar satélites y personas al espacio, el mercado podría crecer lo suficiente y las tasas de lanzamiento podrían aumentar suficientemente para justificar el desarrollo de sistemas reutilizables aún mejores.

Sin embargo, podría necesitarse una tecnología completamente diferente para reducir radicalmente los costos de acceso al espacio. Incluso si nuevos y confiables sistemas de lanzamiento reducen estos costos en un factor de diez, podría necesitarse mucho más que eso para hacer aplicaciones nuevas como la minería lunar, industrias en microgravedad, turismo espacial masivo y colonización de Marte económicamente viables.

En lugar de $1000 por kilogramo de carga útil en órbita terrestre baja, se necesitarían precios del orden de $10 por kilogramo o menos para hacer el costo de un vuelo al espacio comparable al del transporte en avión.

La propulsión cohete no solo se usa para lanzar cosas, también es el principal medio para maniobrar y cambiar órbitas, y para controlar la actitud de las naves espaciales.

Propulsores relativamente grandes se usan para ajustes de trayectoria, cambios en la altitud y la inclinación de la órbita (el ángulo de la órbita con respecto al ecuador del planeta) y frenado (para entrar en órbita alrededor de otro planeta cuando se llega allí con demasiada velocidad desde un vuelo de transferencia interplanetaria).

Propulsores más pequeños, a menudo del orden de varias decenas de newtons de fuerza, se usan para control de actitud y maniobras delicadas (con 1 newton equivalente a la fuerza que la gravedad ejerce sobre una masa de 100 gramos (0.2 libras) en la superficie de la Tierra).

La masa del propelente requerido, los propulsores cohete, tanques, tuberías y válvulas a menudo constituye una gran parte de la masa total de la nave espacial.

Por ejemplo, la nave espacial Venus Express de la ESA tenía una masa total de aproximadamente 1270 kg (2800 libras) cuando fue lanzada. No menos de 570 kg (1260 libras) de esta era propelente, mientras que el hardware de propulsión tenía una masa de 60 kg (130 libras); por lo tanto, el subsistema de propulsión representó aproximadamente el 50% de la masa total.

Incluso cuando no se necesitan ajustes de órbita, el control de actitud (estabilización) y el mantenimiento orbital de los satélites requieren mucha cantidad de propelente. Aproximadamente el 30% de la masa total de un satélite de comunicaciones geoestacionario típico con una vida útil de 15 años consiste en propelente para lo que se llama mantenimiento de estación.