El motor de plasma de Franklin Chang
- Astra Castra
- 7 feb
- 13 Min. de lectura
Los que crecimos en los noventas tuvimos la oportunidad de ver en tiempo real los vuelos espaciales de Franklin Chang. Además de leer artículos en la revista Tambor, armar el modelo de cartón del transbordador espacial que venía en el periódico y de visitar el Museo de los Niños para ver la pesadilla animatrónica salida del valle inquietante que era el robot creado en la imagen del astronauta que más veces ha ido al espacio.
Hoy estamos comenzando una nueva era dorada de la exploración espacial, pero el interés del público en general es casi nulo, especialmente en Costa Rica. La conexión espacial que Franklin Chang inspiró se ha ido perdiendo y se ha vuelto poco más que un recuerdo lejano en la memoria colectiva del país. Así que déjenme contarles niños y niñas, sobre el pasado lejano de los noventas.
En aquellos días cada despegue del transbordador espacial era un acontecimiento, (no solo para chamacos obsesionados con naves espaciales). El recuerdo de las misiones Apolo aún estaba fresco en la memoria de la generación de mis papás, y el espectáculo de aquella máquina gigantesca, mitad cohete y mitad avión, abriéndose paso por la atmósfera en medio del fuego infernal de sus cinco motores era algo impresionante, especialmente porque en esa nave futurista viajaba un Tico.
Franklin Chang llevaba consigo los sueños y esperanzas de todo el país, llenándonos de ilusión y optimismo, porque era un símbolo de que en este país chiquitico se podían lograr grandes cosas. Ver a Franklin flotando en microgravedad, con el pelo parado, comiendo Tortirricas y mandando saludos en vivo por Telenoticias, fue un logro a la altura de meter un gol en el mundial o ganar una medalla de oro en las olimpiadas.
Para el 2002, las cosas habían cambiado. Episodio II: El ataque de los clones había terminado de arruinar la Guerra de las Galaxias, y Franklin Chang pasó a ocupar un puesto menos glamoroso (aunque no menos prestigioso), como director del Laboratorio de Propulsión Avanzada de la NASA. El rumor era que estaba trabajando en la nueva generación de motores que nos iban a llevar a Marte. Pero como ser un pionero en ingeniería aeroespacial no es tan "sexy" como ser astronauta, al igual que con la Guerra de las Galaxias, el público perdió el interés.
Después, Chang dejó la NASA del todo para fundar su propia empresa de ingeniería, Ad Astra Rocket, y mucha gente comenzó a decir que Episodio III: La venganza de los Sith redimía toda la franquicia; ambas situaciones fueron causa de optimismo, que por desgracia hasta la fecha no se ha materializado. Y a pesar de haber pasado a formar parte del olimpo tico, junto a Claudia Pol y la selección de Italia 90, el tico promedio se aburrió de esperar a que Franklin Chang terminara la nave espacial, "made in Tiquicia".
Pasaron las décadas e igual que George Lucas, el trabajo de Franklin se volvió más o menos un misterio. De vez en cuando, algún periódico le hacía una nota que siempre terminaba con algo como: "Algún día esta tecnología nos va a llevar a Marte". Pero a falta de algo que la gente pudiera ver en acción, estas noticias pasaban prácticamente desapercibidas. El trabajo de Ad Astra se volvió tan esotérico para el tico promedio, que bien podrían estar haciendo conjuros para abrir un portal a otra dimensión.
Hoy en día, hay toda una generación que nunca vio al transbordador espacial en acción y que con suerte sabe quién es Franklin Chang. Así que, sin más preámbulo, mis queridos embriones, aquí está todo lo que necesitan saber sobre el motor de plasma de Franklin Chang.
Solo es cirugía de cohetes
Para empezar, tenemos que hablar de cohetes. La forma tradicional de viajar en el espacio, es usando un cohete químico; estos funcionan siguiendo el principio de la tercera ley de Newton: toda acción genera una reacción de igual magnitud, pero en sentido opuesto. Todos hemos visto en algún momento un cohete, misil, cachiflín, etc. en todos estos un combustible se oxida (se quema) creando una explosión, que impulsa al cachiflín en la otra dirección, idealmente hacia arriba.
Cuando nadamos, empujamos el agua hacia atrás con las manos y pies, al mismo tiempo, esta nos empuja hacia adelante, permitiéndonos avanzar; si intentáramos hacer lo mismo en el espacio, nos veríamos bien estúpidos, pero además no iríamos a ningún lado porque no hay un medio contra el cual impulsarnos. La única forma de moverse es aprovechando la tercera ley de Newton, lanzando algo en la dirección opuesta a la que queremos movernos. En un cohete químico, ese "algo" es el gas caliente producto de la combustión, que se llama propelente.
Qué tanto nos propele el propelente depende de su velocidad de salida y de su masa en relación con el resto de la nave. Esta relación está descrita por la Ecuación de cohete de Tsiolkovski, la cual establece que el cambio en la velocidad de nuestra nave espacial, conocido como ΔV o “delta V”, dependerá tanto de la velocidad de salida de los gases como de una medida de eficiencia llamada "impulso específico" (Isp), que representa el empuje generado por el motor por unidad de peso del combustible consumido. A continuación vamos a ver porque estos dos términos son tan importantes.
Dame más gasolina
Escapar de la Tierra es difícil. Hasta ahora, la única opción es en un cohete químico, que con una explosión controlada generan un Delta V enorme en muy poco tiempo, permitiendoles alcanzar la ridícula velocidad de 15,000 kph, necesaria para escapar la gravedad de la Tierra. Para lograrlo usan cantidades igualmente ridículas de combustible, unos 628,000 galones en el caso del transbordador espacial, aproximadamente el volumen de una piscina olímpica.
Esta cantidad es necesaria porque su impulso específico es bajo. Esta ineficiencia se traduce en que casi toda la masa de un cohete corresponde a combustible, dejando una fracción muy pequeña de su capacidad para carga útil (astronautas, perros, chimpancés, experimentos, satélites, etc.). Para darles una idea, de las 550 toneladas que pesa un cohete Falcon Heavy, 400 son de combustible, que se utiliza casi en su totalidad para poner aproximadamente 63 toneladas de carga en órbita (11% de su masa total, para los que les gustan los porcentajes).
Una vez en órbita, si quisiéramos ir a otro lugar, como la Luna; necesitaríamos llevar combustible adicional para el resto del viaje, reduciendo aún más la masa que podemos destinar para otras necesidades, como aire, agua y comida. Por eso, para ir más lejos que la órbita terrestre baja, se necesita una segunda etapa (un segundo cohete más pequeño), que permita deshacerse del peso muerto de la primera etapa. Por ejemplo el Saturno V que llevó las misiones Apolo a la Luna.
Este método genera un círculo vicioso: mientras más lejos queramos viajar, más combustible necesitamos. Pero al agregar más combustible, aumentamos también la masa total del cohete, lo que significa que necesitamos aún más combustible para mover esa masa adicional. Este problema, conocido como el “dilema del combustible”, es uno de los principales factores que limita la cantidad de carga que un cohete puede llevar al espacio. Desde los inicios de la carrera espacial, este dilema ha sido un reto constante para los diseñadores y planificadores de misiones, ya que encontrar el balance entre carga útil y combustible sigue siendo crucial para lograr misiones exitosas.
Una posible solución sería evitar llevar todo ese combustible extra y, en su lugar, establecer estaciones de abastecimiento en el espacio. Esto podría lograrse con varios viajes previos para almacenar combustible o mediante la producción de combustible directamente en el espacio, un enfoque conocido como "utilización de recursos in situ". Aunque ambas opciones agregan complejidad y costos a las misiones, ofrecen una alternativa al transporte masivo de combustible.
Sin embargo, la solución más prometedora podría ser evitar completamente usar cohetes químicos para el trayecto posterior a la órbita. Aunque los cohetes químicos son esenciales para poner vehículos en órbita, existen tecnologías mucho más eficientes para viajar en el espacio profundo, como los motores de propulsión eléctrica.
Lento, pero seguro.
Un motor de propulsión eléctrica, igual como un cohete químico, funciona utilizando la tercera ley de Newton, solo que en vez de gases calientes, expulsan partículas de gas aceleradas magnéticamente a velocidades extremas. — ¿Qué tan extremas? Preguntarán. Los gases de escape de un cohete químico salen a unos 5 km por segundo, mientras que en un motor eléctrico los átomos de propelente son expulsados a más de 90 km por segundo. Esto significa que alrededor del 90% de la electricidad usada por el motor se convierte en energía cinética, en contraste con un 35% en el cohete químico, donde la mayor parte de la energía se disipa en forma de luz, calor y un estruendo apocalíptico.
Entonces, ¿por qué no usamos motores eléctricos en lugar de los químicos? Aunque los motores eléctricos son extremadamente eficientes, su delta V (o capacidad de aceleración) es muy bajo. Para que se den una idea, la nave espacial Dawn utilizó un motor de propulsión eléctrica para ir de 0 a 100 km/h en 4 días, apenas un poco más rápido que un Land Cruiser 1970 subiendo El Aguacate. Sin embargo, la ventaja de los motores eléctricos es que, en lugar de una explosión de energía que dura apenas unos minutos, su alto impulso específico les permite mantener el empuje durante días, meses o incluso años, acumulando velocidad poco a poco sin necesitar grandes cantidades de combustible.
Dawn recorrió 2,800 millones de kilómetros en 9 años para visitar los asteroides Vesta y Ceres, una velocidad promedio de 35,491 kilómetros por hora; como la tortuga del cuento que, lenta pero constante, ganó la carrera. La principal ventaja de esta tecnología es que, al ser tan eficiente, utiliza muy poca energía, el sistema de propulsión de Dawn requería alrededor de 2.5 a 3.5 kilovatios de potencia, pudiendo ser alimentada por paneles solares lo que elimina la necesidad de llevar baterías o generadores eléctricos, reduciendo aún más el peso y la complejidad de los sistemas. Además, dado que su aceleración depende de la velocidad de las partículas, esta puede aumentarse ajustando el voltaje.
Todas estas ventajas hacen a los motores eléctricos ideales para explorar el espacio profundo. Además de Dawn, otros ejemplos incluyen la misión Hayabusa 2 (el segundo vehículo más rápido con este nombre, después de la Suzuki GSX1300R) que en 2018 regresó con muestras de un asteroide, y muchos satélites, que utilizan motores eléctricos para maniobrar y mantenerse en órbita durante décadas sin tener que llevar grandes cantidades de propelente.
El motor de plasma
El plasma es el cuarto estado de la materia: un gas tan caliente que sus átomos pierden electrones, quedando en un estado en el que las partículas cargadas (electrones libres e iones) se mueven libremente. Esta libertad de movimiento permite que el plasma conduzca electricidad. Un ión es un átomo o molécula cargado eléctricamente. Al igual que los imanes, los iones responden a campos eléctricos: cargas opuestas se atraen y cargas iguales se repelen. En los motores de propulsión eléctrica, cuando un gas se convierte en plasma y adquiere una carga eléctrica, un campo electromagnético puede acelerar las partículas cargadas y expulsarlas a alta velocidad, generando empuje. Este tipo de motores se llaman motores iónicos.
Hay dos tipos principales de motores iónicos: los electrostáticos y los electrotérmicos. En un propulsor electrostático, el proceso comienza con un gas eléctricamente neutro que se ioniza, convirtiéndose en un plasma con iones cargados positivamente. Un campo eléctrico fuerte acelera estos iones y los expulsa del motor a alta velocidad, generando empuje. Aquí, el empuje se debe exclusivamente a la aceleración de las partículas cargadas por el campo eléctrico. En un motor electrotérmico, el plasma caliente se expulsa directamente como propelente, usando su propia energía térmica para producir empuje. Al aprovechar la energía térmica, estos motores logran una mayor conversión de energía en energía cinética, similar a los cohetes químicos, lo que resulta en un mayor delta V en comparación con los motores electrostáticos.
Un ejemplo de motor electrotérmico es el motor de plasma de Franklin Chang Díaz, conocido como VASIMR (Cohete Magnetoplásmico de Impulso Específico Variable).
El motor VASIMR
Franklin Chang comenzó a desarrollar el concepto del motor VASIMR en 1979, solo dos años después de obtener su doctorado, lo que eventualmente le abrió las puertas de la NASA. La “V” en VASIMR representa la capacidad del motor de variar su impulso específico, permitiéndole funcionar tanto con la fuerza de un motor químico como con la eficiencia de un motor eléctrico, según se necesite. Esto le da una gran versatilidad: puede generar más empuje para maniobras rápidas, similar a una "marcha de ciudad", y luego ajustarse para una máxima eficiencia en viajes largos, como una "marcha de carretera".
Entre las desventajas del motor VASIMR está que no es tan eficiente como un motor iónico ni tan potente como un motor químico; básicamente, es como un pato: puede correr, volar y nadar, pero ninguna de esas habilidades es su fuerte. Por ejemplo, según Ad Astra, el motor VX-200 consume 200 kW de electricidad para generar 5 N de empuje, lo que equivale a 40 kW por newton. En contraste, otros motores iónicos electrostáticos, como el motor NEXT utilizado en la misión DART, producen 0.327 N de empuje usando solo 7.7 kW, o 24 kW por newton.
Aplicaciones prácticas
Aunque estas características son fascinantes desde el punto de vista de la ingeniería, ¿qué significan en el mundo real? Los motores iónicos ya son una tecnología probada y se utilizan desde hace tiempo en sondas espaciales y satélites. Sin embargo, el motor VASIMR aún no se ha implementado en misiones espaciales. Entonces, ¿para qué podría ser útil?
En 2021, Ad Astra anunció que completaron pruebas del VASIMR por más de 88 horas, acercándose a la meta de 100 horas establecida en 2018. Este progreso sugiere que el motor está cerca de alcanzar los requisitos mínimos para misiones espaciales prácticas. Dadas sus características, el VASIMR probablemente no sea adecuado para misiones de larga duración, como la de la sonda Dawn, que mantuvo su impulso durante 9 años, ni tiene el empuje explosivo que los cohetes químicos necesitan para superar la gravedad terrestre. Su uso ideal estaría en misiones de carga, donde no es práctico o realista mantener una aceleración por una década, como el transporte rápido entre la Tierra y la Luna.
Con la mejor tecnología de cohetes químicos disponible, un viaje a Marte tomaría entre 7 y 9 meses, lo que expondría a los tripulantes a altos niveles de radiación. Además, los astronautas enfrentarían las consecuencias físicas y mentales de la microgravedad, así como el desafío psicológico de pasar largos períodos encerrados con el mismo grupo de personas y sus hábitos molestos.
Reducir el tiempo de viaje ayudaría a mitigar estos riesgos. Una opción sería usar una trayectoria de impulso continuo, en la cual la nave acelera constantemente durante la primera mitad del trayecto y luego se gira 180 grados para desacelerar durante la segunda mitad (como en The Expanse). Esto permitiría alcanzar velocidades mucho más altas y reducir la duración del viaje.
Además, los cohetes químicos son tan ineficientes que usan todo su impulso en la etapa inicial de aceleración. Al acercarse a Marte, deben utilizar el aerofrenado, es decir, "chocar" contra la atmósfera del planeta para reducir la velocidad. El más mínimo error en esta etapa puede hacer que la nave se queme en la atmósfera o que rebote y se pierda en el espacio. El impulso continuo facilita un ingreso más controlado en la atmósfera, al disminuir la velocidad de la nave antes del ingreso y así evita depender exclusivamente del aerofrenado para el aterrizaje, reduciendo significativamente el riesgo de la misión.
Críticas y soluciones
El motor VASIMR ha generado mucho entusiasmo, más que todo entre los nerds del espacio, por su potencial para la exploración espacial. Sin embargo, también enfrenta críticas y desafíos técnicos que deben resolverse antes de que pueda implementarse en misiones reales. Uno de sus mayores problemas es la alta demanda de energía, que oscila entre cientos de kilovatios y megavatios, superando la capacidad de los paneles solares convencionales y probablemente requiriendo un reactor nuclear, añadiendo complejidad y peso a cualquier misión. Una solución más propia de la ciencia ficción sería la fusión nuclear, aunque aún nos falta construir un reactor de fusión compacto, ya que los actuales, como el ITER, son del tamaño de un edificio.
Otro reto importante es la gestión térmica. El VASIMR genera una gran cantidad de calor por la energía necesaria para ionizar el gas y acelerarlo como plasma. Este exceso de calor representa un problema crítico en el espacio. Cuando salimos a pasear en nuestros jets privados, el aire circundante ayuda a enfriar los motores, pero en el vacío del espacio, sin un medio que disipe el calor, este se acumula, generando estrés térmico que puede dañar los sistemas de la nave. Para evitar el sobrecalentamiento, es necesario un sistema de enfriamiento eficaz. Una idea es utilizar disipadores de calor, estos usarían un refrigerante para absorber el calor generado por el motor y lo canalizarían hacia una red de radiadores térmicos construidos con materiales de alta emisividad, que convertirían la energía calórica en radiación infrarroja, pero llegamos a lo mismo, más costo y complejidad.
En términos de potencia, el VASIMR produce un empuje considerablemente bajo en comparación con cohetes convencionales, por lo que no es adecuado para lanzar cargas desde la Tierra. Para misiones interplanetarias, aún necesitaríamos un cohete convencional para llegar al espacio. La buena noticia es que los cohetes reutilizables han reducido el costo de alcanzar la órbita y, conforme esta tecnología avance, es probable que el costo disminuya aún más, facilitando el uso de sistemas como el VASIMR para viajes prolongados.
También está el tema de la limitada experiencia operativa en condiciones reales; aunque VASIMR ha estado en desarrollo desde principios de los 2000, la mayoría de sus pruebas han sido en laboratorios en la Tierra, y todavía quedan dudas sobre su rendimiento en el espacio. También preocupa el efecto de los campos magnéticos utilizados para contener el plasma, que podrían interferir con los sistemas electrónicos de la nave, por desgracia, la única forma de resolver estas incógnitas es probar el motor en condiciones reales.
En conjunto, estos desafíos sugieren que el VASIMR podría estar a años, o incluso décadas, de estar listo para misiones de exploración a gran escala. Aunque tiene un gran potencial para la exploración del espacio profundo, aún se necesitan importantes avances en generación de energía y gestión térmica antes de que pueda implementarse a gran escala. Algunos críticos consideran que la relación costo-beneficio no es favorable, especialmente cuando se compara con otros sistemas de propulsión eléctrica como los motores de iones, que ya han demostrado ser confiables y efectivos.
Conclusión
En conclusión, el motor VASIMR de Ad-Astra Rocket representa una tecnología con gran potencial para revolucionar la exploración espacial, ofreciendo una forma más eficiente de propulsión para misiones de largo alcance. Sin embargo, como toda innovación, enfrenta desafíos técnicos significativos que deben superarse antes de que pueda convertirse en una opción viable. Desde su alta demanda energética y la complejidad de su sistema de enfriamiento hasta la necesidad de más pruebas en condiciones reales, cada obstáculo plantea preguntas que la ciencia y la ingeniería aún deben resolver.
Aunque su implementación a gran escala podría estar a años o incluso décadas de distancia, el desarrollo continuo de tecnologías complementarias, como reactores nucleares compactos y disipadores térmicos avanzados, nos acerca cada vez más a su uso práctico. Y, más allá de sus complicaciones técnicas, no deja de ser motivo de orgullo que todo esto lo inventó un mae de Moncho.
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