¿Por qué la NASA insiste en usar el combustible más “escurridizo” para volver a la Luna?
Por Jackie Wattles
El sueño de la NASA de ver a cuatro astronautas orbitando la Luna esta semana se ha topado con un viejo y conocido enemigo: el combustible. Mientras el cronograma original marcaba el regreso triunfal de la misión Artemis II, los ingenieros en tierra libran una batalla técnica contra las persistentes fugas en el cohete que debe devolvernos al espacio profundo.
A solo unas horas de comenzar una prueba previa al lanzamiento llamada “ensayo completo con combustible” a principios de febrero, los controladores de lanzamiento encontraron que se estaba fugando suficiente hidrógeno líquido súper enfriado en la plataforma de lanzamiento como para generar preocupaciones de seguridad. Las fugas de hidrógeno siguieron apareciendo, lo que obligó a la NASA a detener el flujo de combustible al cohete en varias ocasiones.
El problema finalmente dejó a la agencia espacial incapaz de completar la prueba completa y llevó a más de una semana de investigaciones y reparaciones.
Si las molestas fugas de hidrógeno y una misión lunar retrasada evocan una sensación de déjà vu, puede deberse a que la NASA ya pasó por esto antes.
El despegue de un vuelo de prueba no tripulado alrededor de la Luna en 2022, llamado Artemis I, se retrasó varias veces y casi fue frustrado por un escape de hidrógeno similar antes de que un equipo de trabajadores de la NASA vestidos con monos llegara en el último momento y arreglara manualmente una válvula con fugas. También hay registros de ingenieros que lucharon con problemas similares a lo largo del programa del Transbordador Espacial, que se desarrolló entre 1981 y 2011.
Las fugas son una gran preocupación en tierra: el hidrógeno es muy fácil de encender y energético, lo que significa que demasiado de él en un área conlleva el riesgo de una explosión catastrófica.
Así que, mientras los controladores de lanzamiento navegan otro ensayo “mojado” este jueves, la pregunta sigue siendo: ¿por qué la NASA sigue usando este combustible notoriamente impredecible?
Los ingenieros pioneros en el uso del hidrógeno como combustible para cohetes a mediados del siglo XX, antes de que se empleara en los cohetes lunares Apolo —y la mayoría de los vehículos de lanzamiento que han optado por este combustible desde entonces también han lidiado con fugas.
Por ejemplo, el cohete Vulcan Centaur, producido por el contratista militar estadounidense United Launch Alliance y basado en décadas de tecnología heredada, utiliza hidrógeno para impulsar la parte superior de su cohete. Y en 2023, una fuga de combustible causó una explosión en forma de bola de fuego durante una prueba del Vulcan Centaur en Alabama, dañando la infraestructura cercana y retrasando el lanzamiento inaugural del cohete.
Las tendencias de fuga del hidrógeno pueden atribuirse al hecho de que es el elemento más ligero del universo. “Tiende a encontrar la manera de salir de cualquier cosa en la que intentes contenerlo”, dijo Adam Swanger, investigador principal sénior e ingeniero de investigación en criogenia en el Centro Espacial Kennedy de la NASA. “Y tiene una densidad muy baja”.
Para ponerlo en perspectiva, el hidrógeno es aproximadamente 14 veces más liviano que el aire en la Tierra. Pero las mismas propiedades que hacen tan difícil contener el hidrógeno también lo convierten en un combustible ideal para cohetes.
“La baja densidad es buena para el rendimiento”, dijo Swanger a CNN. “Así que ahí hay una especie de compensación”.
Al seleccionar el combustible para un cohete, la consideración más importante es un concepto llamado “impulso específico”, a menudo abreviado como Isp. Es una medida de cuanta fuerza de empuje —o fuerza— puede generar un motor cohete con una cantidad determinada de combustible.
Para calcular el Isp, el empuje previsto de un motor de cohete se divide por la velocidad a la que expulsa el peso de un propulsor. Y el peso es crucial en los vuelos espaciales: cuanto más poder debe usar un cohete para levantar su propio peso, menos capacidad tiene el vehículo para transportar carga valiosa o personas a la órbita.
El hidrógeno es conocido por tener un impulso específico muy favorable debido a que es muy ligero, y proporciona una potencia considerable en el despegue. De hecho, es el mejor en el negocio, ostentando la mayor eficiencia de todas las opciones de combustible para cohetes, “por eso terminamos usándolo mucho”, dijo Swanger.
Aun así, en el caso de Artemisa, la elección de combustible de la NASA va más allá del simple rendimiento.
A veces se considera que el hidrógeno causa más problemas de los que vale, dado su propensión a provocar retrasos en los lanzamientos.
Sin embargo, el combustible también ofrece la mejor ventaja de eficiencia cuando se utiliza en el vacío del espacio. Por eso, algunos fabricantes de cohetes optan por utilizar hidrógeno para las etapas superiores de los vehículos de lanzamiento, pero emplean un combustible más manejable para la primera etapa de un cohete, que alberga todos los motores que proporcionan el empuje inicial desde la plataforma de lanzamiento.
Los cohetes orbitales construidos por Blue Origin de Jeff Bezos o SpaceX de Elon Musk, por ejemplo, utilizan combustibles alternativos —como el metano o el RP-1, un tipo de queroseno— para las primeras etapas de sus cohetes.
Pero el cohete lunar Artemisa de la NASA, llamado Sistema de Lanzamiento Espacial o SLS, utiliza hidrógeno tanto en las porciones superiores como en las de la primera etapa del vehículo.
Y hay una razón no tan obvia para esto: “En última instancia fue una decisión del Congreso que se estableció mediante una ley que obligaba a la NASA a utilizar el hardware y las plantillas laborales y contratistas del Transbordador Espacial para construir el SLS”, dijo Casey Dreier, jefe de política espacial de la organización sin fines de lucro Planetary Society.
En otras palabras, el SLS utiliza hidrógeno en parte porque el Transbordador Espacial también lo usaba, y los legisladores querían que el programa SLS preservara en gran medida las plantillas laborales y las cadenas de suministro de la era del Transbordador.
Las fugas de hidrógeno con las que la NASA está lidiando hoy son un síntoma de esa decisión, añadió Dreier. Intentar ensamblar piezas de un programa antiguo para construir nuevos cohetes —en lugar de empezar desde cero— “en realidad desplazó muchas consecuencias y costos a la hora de operar el cohete”.
Y aunque todos los cohetes que usan hidrógeno son susceptibles a frustrantes fugas, los problemas de la NASA con el SLS pueden verse agravados por sus peculiaridades políticas.
“Nunca operará tan bien como si hubieran diseñado un cohete nuevo,” dijo Dreier. “Tendrá grandes costos fijos. Y tendrás cohetes quisquillosos.”
La NASA ha reconocido que el SLS puede ser quisquilloso. Pero el vehículo todavía se encuentra en los primeros días de uso, después de dos décadas de desarrollo.
“Es un vehículo experimental”, dijo Amit Kshatriya, administrador asociado de la NASA, durante una conferencia de prensa el 3 de febrero junto a varios otros funcionarios de la agencia. “Nadie sentado en una de estas sillas debe llamar a ninguno de estos vehículos operacional”.
Cabe destacar que la NASA normalmente no considera que un cohete esté completamente “operacional” hasta que entra en servicio rutinario, un hito que el SLS podría tardar bastante tiempo en alcanzar considerando la baja frecuencia de sus vuelos. Los funcionarios de la agencia espacial solo consideraron operacional al Transbordador Espacial, por ejemplo, después de que completó sus primeras cuatro misiones, todas ellas tripuladas.
Kshatriya agregó que a la NASA le ha sido difícil anticipar las fugas del SLS y determinar cómo prevenirlas. Es posible que el proceso de llevar el cohete hasta la plataforma de lanzamiento haya contribuido al problema de sellado con fugas que los ingenieros están resolviendo actualmente, pero la agencia aún no ha confirmado la causa.
“Es bastante complicado desde el punto de vista del estrés y la tensión. No es una excusa”, señaló Kshatriya, pero los ingenieros recién han comenzado a desglosar cómo estos problemas pueden desarrollarse.
Durante Artemis I y también en el primer ensayo general húmedo de Artemis II a principios de febrero, las fugas se localizaron en la misma zona: la Torre de Servicio de Cola Umbilical (TSMU), una estructura de tres pisos de altura que conecta el cohete SLS con el equipo en tierra.
Para abordar los problemas más recientes detectados en la TSMU, la NASA dijo que los técnicos reemplazaron recientemente las juntas alrededor de dos de las líneas de propelente en esa área.
Para realizar una prueba exitosa de “wet dress” y mantener el cohete seguro el día del lanzamiento, la NASA debe mantener la tasa de fuga durante el llenado por debajo del 16 %, según la directora de lanzamiento de la NASA, Charlie Blackwell-Thompson.
Y la NASA está empleando varios métodos para intentar mantenerse dentro de los límites aceptables. Además de trabajar para detectar y solucionar la fuente de fugas antes del llenado, la agencia también puede utilizar una técnica durante el proceso de carga de hidrógeno que implica calentar brevemente las líneas de combustible, con la esperanza de que los sellos puedan volver a asentarse en una posición deseable antes de volver a ser sometidos a temperaturas extremadamente frías.
Algunos de los esfuerzos de solución de problemas pueden estar dando resultado, ya que el administrador de la NASA, Jared Isaacman, anunció a principios de este mes que una prueba en la que los ingenieros llenaron parcialmente los tanques de hidrógeno del SLS mostró mejoras. Basándose en las primeras revisiones de los datos, la agencia no observó algunas de las fugas que preocuparon en el ensayo anterior de “wet dress”, dijo Isaacman.
El constante esfuerzo de la NASA por contener su combustible preferido dentro del cohete plantea la pregunta de si el cohete SLS siempre tendrá que lidiar con fugas de hidrógeno, o si se podrá encontrar una solución permanente.
Kshatriya señaló que aunque un cohete SLS ya ha volado antes, el vehículo no es reutilizable. Eso significa que el SLS en la plataforma de lanzamiento hoy es completamente nuevo, y puede tener sus propios caprichos y peculiaridades.
El ensayo de “wet dress” de principios de febrero fue “la primera vez que esta máquina en particular ha estado en contacto con criógenos”, dijo Kshatriya, refiriéndose a los combustibles superenfriados. “Y cómo respira, cómo ventila —y cómo tiende a fugarse— es algo que tenemos que caracterizar.”
Pero evitar completamente las fugas de hidrógeno puede requerir avances en la ciencia de materiales.
“En lugar de preguntar por qué el hidrógeno es difícil de manejar, desde el punto de vista de la ciencia de materiales, la pregunta es: ‘¿Existe algún material actual que tenga suficiente tenacidad a la fractura?’” explicó Jihua Gou, profesor del departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Florida Central.
El hidrógeno líquido debe mantenerse a la inimaginablemente gélida temperatura de menos 423 grados Fahrenheit. Y la infraestructura que lo contiene debe ser capaz de soportar enfriamientos frecuentes hasta esa temperatura.
“El mayor problema es el cambio de temperatura. Y los sellos son una cosa, pero lo que sostiene los sellos también cambia de forma,” indicó Swanger, ingeniero investigador de la NASA.
Actualmente, la NASA está utilizando polímeros de teflón llamados PTFE, señaló, para esos sellos.
“El teflón se usa típicamente porque históricamente ha sido el que mejor funciona. Simplemente no hay muchas opciones,” dijo Swanger. Y “se convierte en un problema realmente desafiante con interfaces muy grandes.”
El cohete SLS, señaló, tiene limitaciones de diseño específicas. Su enorme tamaño, por ejemplo, complica la búsqueda de una solución permanente para las fugas de hidrógeno porque un cohete tan grande requiere una tasa de flujo significativa para el combustible, lo que aumenta el riesgo de filtraciones.
“Cuando sumas todos estos requisitos tan especiales, estás realmente limitado en lo que puedes hacer,” dijo Swanger. “Creo que si hubiera un conjunto diferente de requisitos, o si se empezara desde cero —descubriendo cómo hacer algo que absolutamente no pueda tener fugas— probablemente sería posible.”
Pero no se puede volver a la mesa de diseño para el SLS, señaló, “y simplemente no es muy práctico intentar hacerlo.”
Si la idea de un vehículo impulsado por hidrógeno recuerda algunos incidentes peligrosos, como el desastre del Hindenburg, Swanger también enfatizó que al menos la NASA entiende cómo usar de forma segura este combustible a veces incontrolable.
“Puede usarse absolutamente de forma segura sin ningún problema, e incluso con las fugas que hemos tenido,” dijo Swanger, “nunca hemos tenido un accidente.”
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