Llegar al espacio nunca ha sido simple. Se necesita un ejército de millares de personas para enviar la lanzadera al espacio, hacerla aterrizar con seguridad y restaurarla para un nuevo vuelo.

Los proyectos planificados tales como el avión Skylon usarían oxígeno de la atmósfera para quemar el combustible durante al menos parte del camino al espacio (Ilustración: Mann/Reaction Engines)

Incluso el cohete espacial más simple requiere de múltiples etapas, cuyo peso se compone en su mayor parte de los oxidadores necesarios para quemar el combustible. Los cohetes se lanzan verticalmente para minimizar el tiempo que pasan en la zona donde la atmósfera de la Tierra es más gruesa, despojándose de sus fases para reducir el peso conforme asciende.

Durante décadas, los ingenieros han soñado con una forma mejor: un vehículo que llegue a la órbita en una sola etapa que sería más ligero, más barato y más fácil de reusar. Una flotilla de estos vehículos, dicen los defensores, podría ser casi tan fácil de mantener como los aeroplanos a chorro convencionales, reduciendo el tiempo de preparación ante cada lanzamiento de meses a días o incluso horas.

Dado que la mayor parte del peso de los cohetes lo componen los oxidadores, una aproximación lógica es ahorrar peso desarrollando un motor que pueda usar el oxígeno de la atmósfera para quemar el combustible al menos durante parte del camino.

¿Estamos acercándonos a este objetivo? La semana pasada, la firma británica Reaction Engines anunció que habrían recibido 1 millón de euros de la Agencia Espacial Europea para desarrollar tres partes clave de un motor de cohete de aspiración de aire. La firma espera que esos componentes puedan algún día ayudar a completar un plan de hace décadas para construir un avión espacial llamado Skylon, el cual podría despegar y aterrizar como un jet convencional.

Pero Skylon no es el único en marcha. New Scientist echa un vistazo a la tecnología de aspiración de aire y lo que podría significar para el futuro del vuelo espacial.

¿Cómo funcionan los motores de aspiración de aire?

Los motores de aspiración de aire básicos usan unas entradas en la parte frontal del vehículo para aspirar aire. Lo que sucede después depende del diseño.

Un motor común es el ramjet, el cual usa la geometría del motor para frenar el aire. Pero los ramjets son sólo útiles a velocidades relativamente bajas. A velocidades hipersónicas – por encima de 5 veces la del sonido, o Mach 5 – el aire ralentizado está demasiado caliente para ser útil para la combustión.

Una solución popular a este problema es el scramjet, el cual no frena el aire tanto, sino que en lugar de esto mezcla rápidamente el flujo de aire rápido con el combustible para crear el impulso. Pero los scramjets son sólo útiles por encima de Mach 5, lo que significa que se necesita otro sistema, tal vez un cohete convencional, para propulsar el avión hasta las velocidades hipersónicas.

¿Cómo de rápido pueden viajar los motores de aspiración de aire?

La respuesta aún no está clara dado que la tecnología no ha pasado por muchas pruebas. Pero a cierta velocidad, los investigadores creen que el aire o puede mezclarse con el combustible lo bastante rápido como para quemarlo. Esto pone un límite a lo rápido que pueden ir los motores de aspiración de aire y sugiere que tendrán que depender de la potencia de los cohetes para darles el último impulso a la órbita.

Las estimaciones para la velocidad límite de los scramjets, por ejemplo, varían desde Mach 12 a Mach 20 (dependiendo en gran parte del tipo de combustible utilizado), dice Mark Lewis, ingeniero aeroespacial en la Universidad de Maryland en College Park. Esto aún está lejos del Mach 25 aproximadamente necesario para alcanzar la órbita y significa que los vuelos de scramjet empezarían y terminarían con una fase de cohete.

¿Qué es la aproximación Skylon?

El motor Skylon propuesto usaría un intercambiador de calor para enfriar el aire entrante de 1000 °C a Mach 5 a menos de -100 °C. Una vez enfriado, el aire se mezcla con hidrógeno líquido y se quema.

Al contrario que los scramjets, Skylon está diseñado para entrar en el modo de aspiración de aire directamente desde el lanzamiento hasta una velocidad de Mach 5,5. A una altitud de 26 kilómetros, el motor cambiaría a la potencia del cohete y usaría el oxígeno de abordo para impulsar el avión al espacio.

“Es un concepto casi único”, dice Mark Hempsell, director de programas futuros en Reaction Engines. “Creo que actualmente es la única forma realista de hacer vehículos aéreos que vayan al espacio”.

El diseño debería ser suficiente para impulsar un avión de 43 toneladas que puede alojar 12 toneladas de carga a la órbita de la Tierra, aproximadamente la mitad de lo que puede transportar la lanzadera espacial, dice la firma.

¿Cómo de lejos está dicha tecnología?

Los motores de aspiración de aire hipersónicos mejor desarrollados son los pequeños que se adaptan fácilmente para que funcionen como sistemas de propulsión de misiles.

Dos de los más largos y rápidos vuelos hipersónicos de aspiración de aire fueron realizados por el X-43 de la NASA, un vehículo de 5 metros de largo propulsado por un motor scramjet que completó con éxito dos vuelos de aproximadamente 10 segundos de duración a Mach 7 y Mach 10 en 2004.

Pero esto podría cambiar pronto. A finales de 2009, las Fuerzas Aéreas de los Estados Unidos planean comenzar las pruebas de vuelo de un scramjet conocido como X-51. Se usará un bombardero B-52 para transportar al vehículo a una altura de 15 kilómetros, donde será liberado y funcionará durante 4 a 5 minutos, acelerando a Mach 6.

Dado el rango de opciones, ¿cuál es el mejor motor para usar?

“Como en todas estas cosas, el demonio está en los detalles”, dice el experto en propulsión Aaron Auslander del Centro de Investigación Langley de la NASA en Hampton, Virginia.

Puede haber múltiples formas de llegar a la órbita. Seleccionar el mejor diseño requiere una mejor comprensión de cómo de fiables y rentables serán los vehículos, dice Auslander.

“Creo que todas las aproximaciones están sobre la mesa”, dice Lewis a New Scientist. Reaction Engines está “estudiando una posible combinación de sistema de motores, y existe realmente un rango de opciones mucho más amplio que tenemos que explorar antes de que sepamos cuál volará a la órbita”, añade.

Debido a que los scramjets podrían funcionar en el mayor rango de velocidades, posiblemente hasta Mach 20, dice Lewis, serían la opción más efectiva: “Cuanto más lejos llegues en la atmósfera, más ventaja tendrás”.

Pero dado que los scramjets necesitarían un cohete de lanzamiento, y los cohetes aceleran demasiado para las ruedas, un avión scramjet también tendría que lanzarse verticalmente o con algún tipo de sistema de raíles, dice Lewis.

Articulo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original se publicó en NewScientist y su autora es Rachel Courtland.