¿Cómo funcionan los motores de un cohete espacial?

Conseguir proporcionar a una nave de varias toneladas de peso una velocidad tan elevada como la de escape fue sin duda uno de los mayores problemas que hubo de afrontar la astronáutica. La solución no se haría realidad hasta el perfeccionamiento del llamado motor-cohete.

El motor cohete es la demostración palpable del llamado principio de acción y reacción enunciado por Newton dentro de sus tres famosas Leyes de la Mecánica. Veamos cómo funciona. La reacción química del combustible tiene lugar en la cámara de combustión, donde se generan los gases producto de la misma, que son expulsados por las toberas a una gran velocidad. Es esta enorme velocidad la responsable de que el cohete salga impulsado en sentido contrario, como consecuencia del cumplimiento de la tercera ley del movimiento de Newton o, si se quiere ver de otra forma, de la ley de conservación del momento lineal.

Hoy en día, esto es algo que nos puede resultar extremadamente sencillo de entender, pero parece ser que no ocurría así en la década de los años 20, cuando Robert Goddard llevaba a cabo sus estudios sobre cohetería. En 1920, en un ya mítico titular, el diario The New York Times publicaba el siguiente párrafo: “El profesor Goddard no conoce la relación entre la acción y la reacción ni la necesidad que debe haber de disponer de algo mejor que el vacío sobre lo que ejercer un empuje. No parece, pues, saber lo que se enseña a diario en las escuelas”. Sin comentarios. Semejante muestra de ignorancia científica no fue reconocida públicamente hasta 49 años después, cuando, en julio de 1969, el Apolo XI despegaba hacia la Luna.

Un cohete de propulsión a chorro, como hemos dicho, no es más que una consecuencia directa de la ley de conservación del momento lineal. En efecto, si se considera el conjunto formado por la nave (vacía) y el combustible como un sistema aislado, esto es, que no se encuentre bajo la acción de una fuerza neta (o bien que ésta sea poco importante), el momento lineal de todo el conjunto debe mantenerse inalterado. Esto significa que, como el momento lineal antes del despegue es cero (el cohete está quieto), éste debe mantenerse siempre en ese valor para cualquier instante de tiempo posterior. Pero, como el momento lineal es una cantidad vectorial que tiene el mismo sentido que la velocidad, ha de ocurrir que, para que la suma de los dos momentos lineales (de los productos gaseosos de la combustión, por un lado, y de la propia nave por el otro) sea nula, ambos deben salir despedidos en sentidos contrarios. Y esto no requiere en absoluto la necesidad de aire; puede ocurrir perfectamente en el vacío del espacio, no como afirmaba el The New York Times. Nos apercibimos de esta importante ley física cada vez que disparamos un arma de fuego y sentimos el retroceso. Asimismo, podemos aprovecharnos de este principio en el caso de que seamos abandonados en el centro de un lago helado: si queremos llegar a una orilla no tenemos más que arrojar un objeto que llevemos con nosotros hacia la orilla contraria a la que pretendíamos llegar.

Esta aplicación tecnológica de un principio físico se había experimentado con los motores a reacción que equipan a los actuales aviones. En dichos motores, la combustión de una sustancia (gasolina o queroseno) produce una cierta cantidad de gases a presión que, al escapar por la tobera del motor a alta velocidad, originan una fuerza de reacción que se transforma en el empuje necesario para desplazar todo el aparato.

A grandes rasgos, el funcionamiento del motor cohete es muy similar al de reacción, pero existe entre ambos una diferencia básica: en el caso del motor de reacción, la combustión tiene lugar gracias al aire tomado directamente de la atmósfera, mientras en el motor cohete (que debe operar en un medio falto de oxígeno) el sistema ha de transportar tanto el combustible como la sustancia oxidante que permitirá la combustión y originará el chorro de gases (jet) inicio del impulso motor.

Según la naturaleza de los propulsantes utilizados, los motores cohete son: de líquidos, de sólidos o de híbridos (cuando un propulsante es sólido y otro líquido). Los dos primeros son de amplia utilización. La diferencia esencial entre ambos consiste en que con los motores de líquidos los propulsantes están almacenados en depósitos desde los que se inyectan en la cámara de combustión, mientras en el motor de sólidos están contenidos en la propia cámara de combustión.

Esta variante conduce a diferencias esenciales en la constitución de ambos tipos de motor, siendo de gran simplicidad en el motor de sólidos. El 12 de abril de 1981, por ejemplo, tuvo lugar el lanzamiento del primer transbordador espacial, el Columbia, impulsado por tres motores de combustible líquido y un par de gigantescos propulsores de combustible sólido, sujetos al tanque principal, todo ello controlado por cinco complejas computadoras interconectadas.

Los cohetes de líquidos están constituidos por los siguientes elementos: un sistema de almacenamiento de propulsantes que consta de dos depósitos, uno de oxidante y otro de combustible; un sistema de alimentación basado ya sea en la presurización de los depósitos (mediante helio u otro gas inerte a alta presión) o en una bomba de inyección accionada por un generador de gas o por los mismos propulsantes del motor cohete, y una cámara de combustión con una tobera. En la cámara se produce la combustión de los propulsantes y se generan los gases a alta presión que se inyectan al exterior por la tobera produciendo el empuje.

Los gases de combustión tienen temperaturas entre 2.000ºC y 3.500ºC, más elevadas que la fusión de la mayoría de los materiales metálicos, por lo que se presentan problemas técnicos severos para la construcción de los motores. En los cohetes de líquidos se utiliza un sistema de refrigeración basado en la circulación de un propulsante alrededor de la cámara antes de su inyección en el interior. Para los cohetes de sólidos se utiliza un material aislante de la pared interior. En las gargantas de las toberas se utilizan materiales especiales, como grafito o cerámicas.

Los elementos del sistema de alimentación en los cohetes de líquidos deben tener alta resistencia a la corrosión y en particular cuando se utilizan propulsantes criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos) deben satisfacer la condición de operar a temperaturas extremadamente bajas.

Los motores cohete de propulsantes químicos liberan gran cantidad de energía en un tiempo breve, siendo adecuados para conseguir empujes altos y alcanzar las velocidades precisas para la satelización y el escape. Las operaciones espaciales requieren también fases de propulsión de empuje reducido para las que son aplicables otros tipos de motor cohete. Otras operaciones requieren empujes y tiempos muy reducidos; es el caso de los sistemas de control de altitud basados en chorros de gas, el de mantenimiento de un satélite en órbita para compensar las desviaciones de posición y desplazamiento en órbita. Estos dos últimos son especialmente necesarios para los satélites geoestacionarios de aplicación (por ejemplo, de comunicaciones).

Pero, ¿y que hay del viaje espacial? ¿Qué tipo de motores serían necesarios? ¿Con qué problemas nos encontramos cuando se trata de ir a otro planeta? El problema es que la masa del cohete no permanece constante, ya que el combustible se va gastando y, consecuentemente, el sistema se aligera. Esto hace un poquito más complicado el análisis teórico del problema, pero nada que no tenga solución si uno sabe algo de cálculo diferencial. Cuando se integra la ecuación diferencial resultante, se llega a la conclusión de que la velocidad final de la nave depende de tres parámetros: la velocidad relativa de los gases expulsados con respecto a la propia nave, la masa de la nave vacía (sin combustible) y la masa del propio combustible. Y aquí es donde se pueden hacer números para darse cuenta del problema real que nos espera si queremos llegar a alcanzar astros relativamente lejanos a la Tierra. El caso es que uno podría pensar que basta con aumentar la masa de combustible para incrementar, en consonancia, la velocidad del cohete. Crasos error. Por otra parte, quizá conviniese más elevar la velocidad de los gases expulsados. Craso error. No se puede aumentar indefinidamente ninguna de las dos cantidades.

Con la tecnología de la que disponemos, no es posible llegar más allá de velocidades producto de la combustión de unos 4-5km/s (a medida que aumenta la velocidad se incrementa enormemente la temperatura, pudiendo destruir la propia estructura del cohete). Acelerar la nave hasta esta velocidad requeriría una masa de fuel de 1,7 veces la masa de la nave cuando está vacía. No parece una cosa demasiado seria, si no fuera porque este factor aumenta exponencialmente a medida que se intentan alcanzar cotas cada vez más elevadas en la velocidad del cohete. Duplicar la velocidad anterior, implicaría llevar a bordo el equivalente a 6,4 veces el peso de la nave en combustible. Si tuviésemos la descabellada idea de alcanzar la estrella más cercana a nosotros, Próxima Centauri, a unos 4 años luz de distancia, emplearíamos unos 2.800 años llevando con nosotros una cantidad de combustible del orden de la masa de nuestra galaxia, la Vía Láctea, a una velocidad de poco más de 430 km/s. Más aún, no habría suficiente masa en todo el universo que se pudiera transformar en combustible para alcanzar una velocidad tan mísera como el 0.2% de la velocidad de la luz.

¿Creéis que acaban aquí nuestras desdichas? Pues esto no es nada. Todo lo anterior se cumple para una única aceleración; cada vez que frenásemos ocurriría tres cuartos de lo mismo y necesitaríamos otro tanto de combustible disponible.

Ah, y mejor no planear un viaje de vuelta sin disponer de la posibilidad de repostar en el astro de destino, pues llevar desde aquí el combustible necesario exigiría unos depósitos monstruosos, y no me estoy refiriendo al doble de grandes, como parecería lógico pensar. Esto es una consecuencia de nuestra graciosa amiga, la ecuación del cohete. Pongo un ejemplo con números. Si quisiésemos viajar hasta Marte y, en el viaje de regreso, necesitásemos una cierta cantidad de combustible para abandonar el planeta rojo igual a 10 veces la masa de la nave vacía, deberíamos partir de la Tierra con una masa de fuel 100 veces superior a la de la nave cuando no tiene propelente. Es decir, las necesidades iniciales de combustible varían con el cuadrado de las necesidades para emprender el viaje de vuelta (siempre que se alcancen velocidades semejantes en ambos trayectos). Y, como la necesidad es la madre de la inteligencia, la moraleja de todo esto es que debemos trabajar para idear sistemas de propulsión nuevos, más eficientes y capaces de lanzarnos a alcanzar el sueño de un viaje interestelar y, quién sabe, quizá intergaláctico.