Escrito por Beverly Perry
¿Qué tienen en común el agua y el aluminio?
Si has adivinado que el agua y el aluminio hacen que el SLS vuele, ¡date una estrella de oro!
La química está en el corazón de hacer volar los cohetes. La propulsión de los cohetes sigue la Tercera Ley de Newton, que establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Para conseguir que un cohete salga de la plataforma de lanzamiento, hay que crear una reacción química que dispare gases y partículas por un extremo del cohete y el cohete irá en dirección contraria.
¿Qué tipo de reacción química consigue que los gases calientes salgan disparados por el extremo comercial de un cohete con la suficiente velocidad como para desacoplarlo de la gravedad terrestre? La combustión.
Independientemente de que se trate de su vehículo personal o de un gigantesco vehículo de lanzamiento como el SLS, los fundamentos son los mismos. La combustión (quemar algo) libera energía, lo que hace que las cosas funcionen. Si se parte de un combustible (algo que se quema) y de un oxidante (algo que lo hace arder), se tiene un propulsor. Para que el SLS vuele, la combustión tiene lugar en dos áreas principales: los motores principales (cuatro Aerojet Rocketdyne RS-25) y los cohetes impulsores sólidos gemelos (construidos por Orbital ATK) que proporcionan más del 75% del empuje en el despegue. La combustión alimenta ambos sistemas de propulsión, pero los combustibles y oxidantes son diferentes.
Los motores principales RS-25 se denominan «motores líquidos» porque el combustible es hidrógeno líquido (LH2). El oxígeno líquido (LOX) sirve de oxidante. Los propulsores, por su parte, utilizan aluminio como combustible con perclorato de amonio como oxidante, mezclado con un aglutinante que crea un propulsor sólido homogéneo.
El agua hace que el SLS vuele
El hidrógeno, el combustible de los motores principales, es el elemento más ligero y normalmente existe como gas. Los gases -especialmente el hidrógeno ligero- son de baja densidad, lo que significa que un poco de él ocupa mucho espacio. Para tener suficiente para alimentar una gran reacción de combustión se necesitaría un tanque increíblemente grande para contenerlo, lo contrario de lo que se necesita para un vehículo de lanzamiento diseñado aerodinámicamente.
Para sortear este problema, hay que convertir el gas hidrógeno en un líquido, que es más denso que un gas. Esto significa enfriar el hidrógeno a una temperatura de -423 grados Fahrenheit (-253 grados Celsius). Muy frío.
Aunque es más denso que el hidrógeno, el oxígeno también necesita ser comprimido en un líquido para caber en un tanque más pequeño y ligero. Para transformar el oxígeno en su estado líquido, se enfría a una temperatura de -297 grados Fahrenheit (-183 grados Celsius). Si bien es una temperatura suave comparada con la del LH2, ambos ingredientes del propulsor necesitan una manipulación especial a estas temperaturas. Además, el LH2 y el LOX criogénicos se evaporan rápidamente a presión y temperatura ambiente, lo que significa que el cohete no puede cargarse con el propulsor hasta unas horas antes del lanzamiento.
Una vez en los tanques y con la cuenta atrás del lanzamiento acercándose a cero, el LH2 y el LOX se bombean a la cámara de combustión de cada motor. Cuando el propulsor se enciende, el hidrógeno reacciona explosivamente con el oxígeno para formar: ¡agua! Elemental!
2H2 + O2 = 2H2O + Energía
Esta reacción «verde» libera cantidades masivas de energía junto con agua sobrecalentada (vapor). La reacción hidrógeno-oxígeno genera un calor tremendo, lo que hace que el vapor de agua se expanda y salga por las toberas del motor a velocidades de ¡10.000 millas por hora! Todo ese vapor que se mueve rápidamente crea el empuje que propulsa el cohete desde la Tierra.
Todo es cuestión de impulso
Pero no es sólo la reacción del agua, respetuosa con el medio ambiente, lo que hace del LH2 criogénico un fantástico combustible para cohetes. Todo tiene que ver con el impulso: el impulso específico. Esta medida de la eficiencia del combustible para cohetes describe la cantidad de empuje por cantidad de combustible quemado. Cuanto mayor sea el impulso específico, más «empuje fuera de la plataforma» se obtiene por cada libra de combustible.
El propulsor LH2-LOX tiene el impulso específico más alto de cualquier combustible para cohetes de uso común, y el increíblemente eficiente motor RS-25 obtiene un gran rendimiento de gasolina de un combustible ya eficiente.
Pero aunque el LH2 tiene el mayor impulso específico, debido a su baja densidad, llevar suficiente LH2 para alimentar la reacción necesaria para salir de la superficie de la Tierra requeriría un tanque demasiado grande, demasiado pesado y con demasiado aislamiento que protegiera el propulsor criogénico para ser práctico.
Para sortear eso, los diseñadores dieron al SLS un impulso.
La próxima vez: Cómo los cohetes propulsores sólidos utilizan aluminio -el mismo material que usas para cubrir tus sobras- para proporcionar suficiente empuje para que el SLS despegue del suelo.