SpaceX. El GNL (LNG) combustible clave en la carrera espacial

 

Por: Nelson Hernández

• Cada lanzamiento del Super Heavy SpaceX tiene un consumo de 22 toneladas de GNL, equivalente a la producción diaria de una planta de GNL con capacidad de 800 MPCD.

El 16 - 01- 25, SpaceX[1] se anoto otro éxito (aunque la nave espacial Starship exploto), al capturar de regreso, por 2da vez, del cohete Super Heavy SpaceX en la torre de lanzamiento de la cual salió.

Toda esta tecnología de punta, está basada en el uso de combustibles tradicionales para darle potencia a los motores y poder así elevar el cohete. Sin embargo, ya se menciona que el uso de estos combustibles es obsoleto, y se comienza a buscar sustitutos como nuclear, el electromagnetismo, entre otros.

Pero mientras llega ese cambio, hoy en día se utiliza la mezcla liquida kerosene – oxigeno y la mezcla liquida metano – oxigeno (CH4 – O2).

• La kerosina (RP-1), es un hidrocarburo líquido que se utiliza principalmente como combustible para aviones a reacción, lámparas de queroseno, calefacción y motores de cohetes.
• El metano líquido (GNL o LNG), es el hidrocarburo más simple llevado a su forma líquida mediante  temperaturas criogénicas (-260 °C). Tiene distintos usos, una vez regasificado. Pero en los últimos años, ha comenzado a sustituir a la kerosina en el lanzamiento de cohetes, sobre todo en la empresa SpaceX.

El uso de la mezcla CH4 – O2, también conocida como Methalox ha sido seleccionada por SpaceX para sus motores Raptor por varias razones claves:

• Mayor Eficiencia Específica: El metano proporciona un impulso específico (Isp) más alto que el keroseno, lo que significa que los motores pueden generar más empuje por unidad de combustible. Esto es crucial para misiones espaciales que requieren alta eficiencia y autonomía.
• Menor Contaminación de Motores: La combustión de metano no deja residuos sólidos, como hollín, en los motores, lo que facilita la reutilización de los componentes y reduce la necesidad de mantenimiento entre lanzamientos.
• Disponibilidad de Recursos en Marte: Uno de los objetivos a largo plazo de SpaceX es la colonización de Marte. El metano puede ser producido en Marte mediante el proceso Sabatier[2], utilizando dióxido de carbono (abundante en la atmósfera marciana) e hidrógeno. Esto permitiría la producción de combustible in situ para misiones de regreso.
• Temperaturas Criogénicas: Tanto el metano líquido como el oxígeno líquido requieren temperaturas criogénicas para su almacenamiento, lo que simplifica el diseño del sistema de almacenamiento y manejo de propulsores.
• Mayor Densidad de Energía: El metano tiene una mayor densidad de energía en comparación con el hidrógeno líquido, otro combustible comúnmente usado en cohetes, lo que permite un almacenamiento más compacto y eficiente de combustible.

En resumen, SpaceX optó por la mezcla de metano-oxígeno para sus motores Raptor debido a su mayor eficiencia específica, menor contaminación de motores, potencial de producción de combustible en Marte y otros beneficios prácticos que se alinean con sus objetivos a largo plazo de exploración espacial y reutilización de cohetes.

Por otra parte, desde el punto de vista económico, el CH4 – O2 el costo de producción es más alto que el RP-1 debido a la necesidad de mantenerlo a temperaturas criogénicas; Sin embargo, el costo de producir el RP-1 es tambien elevado por los procesos de refinación. En el aspecto ambiental, el RP-1 es más contaminante que el Methalox.

Aunque el metano-oxígeno ofrece ventajas en términos de eficiencia y menor contaminación, su costo y la complejidad de manejo pueden ser desafíos a vencer.

El keroseno, por otro lado, es más fácil de manejar y almacenar, pero produce más contaminación y tiene un rendimiento específico menor.

En lo atinente a los volúmenes de las mezclas tenemos:

• Metano-oxígeno (Motor Raptor)
• Proporción de Mezcla: La proporción típica es de aproximadamente 3.6:1 (78% de oxígeno líquido y 22% de metano).
• Volumen de Combustible[3]: El motor Raptor utiliza alrededor de 650 kg/s de flujo de masa, lo que equivale a aproximadamente 510 kg/s de oxígeno líquido y 140 kg/s de metano (equivale a 6.7 MPC/s de metano gaseoso).
• Keroseno (RP-1) - oxígeno (Motor Merlin)
• Proporción de Mezcla: La proporción típica es de aproximadamente 2.56:1 (72 % de oxigeno y 28 % de RP-1).
• Volumen de Combustible: El motor Merlín utiliza aproximadamente 340 kg/s de flujo de masa, lo que equivale a aproximadamente 245 kg/s de oxigeno y 95 kg/s de RP-1.

Finalmente, el Gas Natural Licuado (GNL) ha emergido como un combustible crucial en la carrera espacial actual y del futuro. Su capacidad para proporcionar un impulso específico más alto, junto con menores emisiones contaminantes y la posibilidad de producción in situ en planetas como Marte, lo convierten en una opción ideal para misiones espaciales avanzadas. Empresas pioneras como SpaceX están liderando el camino hacia una nueva era de exploración espacial, donde la eficiencia y la sostenibilidad van de la mano. A medida que la tecnología continúa evolucionando, el GNL promete ser un pilar fundamental en la búsqueda de destinos más lejanos y en el establecimiento de colonias fuera de la Tierra.

La Meta: Hacer que la especie humana sea multiplanetaria.

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[1] SpaceX, o Space Exploration Technologies Corp., es una empresa estadounidense de fabricación aeroespacial y transporte espacial fundada en 2002 por Elon Musk. La empresa tiene su sede en el sitio de desarrollo Starbase cerca de Brownsville, Texas. SpaceX es reconocida por sus innovaciones en propulsión de cohetes y el desarrollo de sistemas de lanzamiento reutilizables, que han reducido significativamente el costo de acceso al espacio.

 

[2] Reacción Sabatier: Es un proceso químico que convierte dióxido de carbono (CO₂) e hidrógeno (H₂) en metano (CH₄) y agua (H₂O).

Aplicaciones en Misiones Espaciales:

·         Colonización de Marte: La reacción de Sabatier es especialmente interesante para misiones a Marte, donde el CO₂ es abundante en la atmósfera marciana y el hidrógeno puede ser traído de la Tierra o producido localmente.

·         Producción de Combustible In Situ: Permite la producción de metano y agua en el lugar, lo que reduce la necesidad de transportar grandes cantidades de combustible desde la Tierra.

 

[3] Los motores del Super Heavy Booster de SpaceX generalmente se encienden durante aproximadamente 2.5 a 3 minutos antes de desprenderse de la Starship, con un consumo estimado de 21 a 25 toneladas de GNL (equivale a la producción diaria de una planta de GNL con capacidad de 800 MPCD). Durante este tiempo, los 33 motores Raptor del Super Heavy proporcionan el empuje necesario para elevar el cohete y alcanzar una altitud de alrededor de 70 km antes de la separación.