El nuevo cohete Starship de SpaceX utiliza el motor Raptor.Metano líquido y oxígeno es el combustible de este motor.El Falcon 9 y el Falcon utilizan en gran medida queroseno (RP-1) como combustible.Además, desde hace mucho tiempo, el hidrógeno se utiliza en varios cohetes.Pero SpaceX eligió metano para su Raptor.Ningún otro cohete ha utilizado metano como combustible.
Es porque el hidrógeno líquido necesita un control de temperatura extremo, se filtra fácilmente, es menos denso, por lo que requiere un tanque de combustible más grande, es costoso en comparación con el metano, no es adecuado para un cohete reutilizable y una misión a Marte, necesita metalurgia avanzada;por lo tanto, aumenta la complejidad y el costo del cohete.
Vamos a elaborar.
SpaceX ha desarrollado el Raptor.Es un motor de ciclo de combustión por etapas de flujo completo propulsado por metano.El motor Raptor es el primero en la historia de un motor de ciclo de combustión por etapas de flujo completo jamás volado en un cohete.Ningún motor de cohete que utilice metano ha llegado jamás a la órbita, excepto los cohetes SpaceX.
El Starship de SpaceX es un cohete a Marte rápidamente reutilizable.Los cohetes Falcon no son totalmente reutilizables.Si bien la primera etapa de este cohete es reutilizable, la etapa superior no lo es.
Otro problema con el cohete Falcon 9 y Falcon Heavy es que no se puede reutilizar rápidamente.Después de cada vuelo, este cohete necesita una renovación exhaustiva antes de que SpaceX pueda volver a utilizarlo.La razón principal es que el combustible del cohete Falcon es el queroseno (RP-1).El combustible quemado deja hollín en el compartimiento del motor Merlin, lo que dificulta su reutilización sin una limpieza exhaustiva.
El plan de SpaceX para Marte:
Como mencionamos anteriormente, Elon Musk quiere ir a Marte.Una nave espacial tardará más de 6 meses en llegar a Marte desde la Tierra.El viaje de ida y vuelta es de 12 meses.
Sabemos que la atmósfera de Marte tiene CO2 y agua congelada en el suelo.En Marte podemos crear metano (CH4) utilizando estos recursos.
Primero, mediante electrólisis, podemos dividir el agua (H2O) en Hidrógeno (H2) y Oxígeno (O2).
2H2O = O2 + 2H2
El oxígeno y el hidrógeno se recogerán en contenedores separados.Los humanos utilizarán el oxígeno producido en este paso.
En el siguiente paso, mediante un proceso químico conocido como proceso Sabatier, el dióxido de carbono (CO2) y el hidrógeno (H2) crearían metano (CH4).
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
El Metano (CH4) y el agua se recogerán en contenedores separados.Starship utilizará metano (CH4) y oxígeno (O2) como combustible.Los marcianos pueden beber agua (H2O) producida en este paso o utilizarla para producir oxígeno e hidrógeno.
Los astronautas ya utilizan estos pasos para producir oxígeno a partir del agua y eliminar el dióxido de carbono en la Estación Espacial Internacional (ISS).Como este proceso ha sido probado;por lo tanto, también podemos usarlo en Marte.La única diferencia es que la ISS libera metano (CH4) al espacio exterior, mientras que en Marte lo recolectaremos en contenedores como combustible para cohetes.
En el proceso descrito anteriormente, podemos producir tanto metano (CH4) como hidrógeno (H2).
| Queroseno (RP-1) | Metano | Hidrógeno | |
| Densidad | 813g/L | 422g/L | 70g/L |
| Relación entre oxidante y combustible | 2,7: 1 | 3,7: 1 | 6: 1 |
| Eficiencia | 370s | 459 | 532s |
| Temperatura de combustión | 3670K | 3550K | 3070K |
| Punto de ebullición | 490 mil | 111 mil | 20K |
| Subproductos de la combustión | CO2, H2O y hollín negro. | CO2 y H2O | H2O |
| Fabricable en Marte | No | Sí | Sí |
En cohetería, la eficiencia de un motor se mide en impulso específico (ISP).
Una comparación simplificada sería el MPG de nuestro vehículo de gasolina.Cuanto mayor sea el MPG de un automóvil, más kilometraje puede recorrer con 1 galón de gasolina y más eficiente será.
Ahora, supongamos que tenemos 1 libra de combustible para cohetes.Podría ser queroseno (RP-1), metano (CH4) o hidrógeno (H2).
El ISP se mide en segundos.Es la medida de cuántos segundos puede impulsar el motor con 9,8 newtons de fuerza con una cantidad fija de combustible.Cuanto más alto pueda empujar con la misma cantidad de combustible, 9,8 Newtons, mayor será la eficiencia o ISP.
Si tenemos un motor de cohete con ISP de 100 y otro con ISP de 150, entonces el segundo motor con ISP de 150 es más eficiente porque puede realizar más trabajo con la misma cantidad de combustible.
En la tabla anterior, podemos ver que el hidrógeno es eficiente en comparación con el metano.Sin embargo, el hidrógeno tiene varios problemas.
SpaceX quiere que su cohete sea sencillo, barato y fiable.Según Elon Musk, “la mejor parte es no participar;el mejor proceso es ningún proceso”.
Aunque el hidrógeno es eficiente en comparación con otros propulsores de cohetes, añade complejidad a los motores y al diseño de los cohetes.
El hidrógeno es un fluido criogénico.Su punto de fusión es -259° C o -435°F, y su punto de ebullición es -252°C o -423°F.El hidrógeno debe almacenarse a temperaturas extremadamente frías para mantenerlo en forma líquida.Debido a esto, un cohete de hidrógeno necesita aislamiento alrededor de los tanques, lo que aumenta el peso del cohete, la complejidad de producción y el costo.
Además, surgen otros problemas debido al bajo punto de ebullición del hidrógeno.
En un largo viaje a la Luna y Marte, el hidrógeno se evaporará y se evaporará.Además, durante el reingreso de la Starship a la Tierra, el calor generado provocará un importante desafío técnico para mantener el hidrógeno licuado en el tanque de combustible.
Sin embargo, el metano no tiene estos problemas.
La fragilización por hidrógeno es un problema grave.Cuando el metal entra en contacto con hidrógeno criogénico, el metal se vuelve quebradizo.Por lo tanto, el diseño de un cohete reutilizable que utilice hidrógeno es muy complejo y desafiante.Los motores de hidrógeno necesitan una metalurgia avanzada para evitar esta fragilización.
El metano (CH4) no crea este problema de fragilización.
La densidad del hidrógeno es 70 g/L.En contraste, la densidad del metano es 422 g/L.Como resultado, el tanque de combustible de un cohete de hidrógeno debe ser significativamente más grande que el de un cohete propulsado por metano.Un tanque grande significa un cohete más pesado.
Por lo tanto, un cohete propulsado por metano sería más ligero en comparación con un cohete de hidrógeno.
El hidrógeno es la molécula más pequeña de la Tierra.Se fuga fácilmente, principalmente a través de las uniones soldadas de los tanques de combustible.Por lo tanto, se necesita una precisión y un cuidado extraordinarios para que el depósito de combustible sea a prueba de fugas.
El metano no tiene este problema de fuga.
El hidrógeno también es caro en comparación con el metano (CH4).
Como podemos ver, aunque el hidrógeno es más eficiente, tiene muchos inconvenientes.
Por lo tanto, SpaceX necesita un motor de cohete que no tenga estos problemas.
Cuando empezaron a diseñar un motor, SpaceX no quería correr ningún riesgo de crear un tipo de motor completamente nuevo que nadie desarrolló.Por lo tanto, decidieron utilizar queroseno (RP-1) para sus cohetes de la familia Falcon.Cuando tuvieron éxito con su motor Marlin, comenzaron su investigación y desarrollo para el Raptor propulsado por metano.
En breve,El metano líquido (CH4) tiene varios beneficios sobre el hidrógeno líquido.Es más fácil de almacenar.Un sistema de enfriamiento pasivo es suficiente para mantener el metano a temperatura criogénica, significativamente más densa que el hidrógeno.Un tanque de combustible para cohetes propulsado por metano es más pequeño y menos voluminoso.Es por eso que SpaceX usa metano y no usa hidrógeno.
Hora de publicación: 20-nov-2023