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Motores más Resistentes para Cohetes

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Motores más Resistentes para Cohetes

Las naves espaciales y los automóviles podrán beneficiarse de una nueva tecnología de la NASA que protege el interior de las cámaras de combustión.

NASA

Abril 13, 2004: Una vez que los humanos regresen a la Luna y empiecen a "vivir y trabajar allí por períodos de tiempo cada vez más largos", tal como se perfila en la nueva Visión para la Exploración Espacial, viajes más frecuentes entre la Tierra y la Luna serán necesarios para transportar gente y provisiones.

ver leyendaEl mantenimiento de un "ferry espacial" estacionado en una órbita terrestre, en lugar de regresarlo cada vez a la Tierra gastando dinero y combustible para luego lanzarlo fuera de la superficie del planeta, es un argumento para hacer el frecuente viaje a la Luna más económico. Un vehículo más pequeño se utilizaría entonces para trasladar a la gente entre la Tierra y el ferry.

Derecha: Un concepto artístico del ferry espacial Tierra-Luna. [Más información]

Esta idea tiene algunas ventajas, pero también presenta un obstáculo de ingeniería: el mantenimiento. ¿Cómo efectuar el mantenimiento de un vehículo que no regresa nunca a la Tierra?

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Los motores principales del Transbordador Espacial, lo más avanzado de la propulsión líquida para cohetes, deben regresar a la Tierra entre misiones para un exhaustivo mantenimiento. Las severas condiciones dentro del cono de combustión del motor, las sustancias químicas reactivas y las temperaturas superiores a los 2.760º C (5.000º F), provocan asperezas en el material que constituye la capa interior de la cámara de combustión. Esto se llama "blanqueado", (blanching). La superficie de la capa interior lentamente se va poniendo polvorienta y escamosa, y esta corrosión empeoraría si no se puliera después de cada viaje.

Sin hacer escala en la Tierra para mantenimiento, esta clase de motores se convertiría muy pronto en una amenaza para la seguridad del ferry espacial.

Algunos recubrimientos especiales pueden proteger las capas interiores de los motores de combustión, pero estos recubrimientos tienen a su vez inconvenientes. Puesto que estos materiales se expanden en proporción diferente en presencia de calor, el recubrimiento se expandirá en una magnitud diferente a la expansión de la capa interior bajo las altas temperaturas de encendido del cohete. En los bordes donde el recubrimiento se une a la superficie de esta capa, la diferencia en expansión separará a los dos materiales, llevando a la ruptura y separación de capas. El recubrimiento resuelve un problema pero crea otro: el mantenimiento regular sigue siendo necesario.

ver leyendaLos científicos del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA (MSFC), han desarrollado una solución a este problema. Usando la técnica avanzada del "plasma al vacío" para rociar tanto al recubrimiento como a la capa interior en un molde, construyendo capa a capa lentamente, han logrado construir una cámara de combustión del motor de un cohete capaz de resistir más de cien encendidos seguidos sin la más ligera aparición de asperezas o creación de burbujas.

Izquierda: La capa interior de un cono de combustión (izquierda) de un cohete, en construcción rociando material en un molde con plasma caliente (derecha).

"Al menos dentro de los límites de nuestros ensayos, parece ser básicamente resistente al desgaste por uso intensivo", comenta Richard Holmes, un ingeniero en el MSFC. Por su escaso mantenimiento, esta característica convierte a un cohete construido con la nueva técnica en un excelente candidato para ferry espacial, o para utilizarse como un vehículo de lanzamiento de próxima generación, explica Holmes. La técnica también puede tener utilidad en mejorar el funcionamiento de los motores en los coches de carreras y para aumentar la eficiencia de los motores normales de automóviles.

Las ventajas de esta tecnología no radican en algo que se agrega, sino en algo que se suprime: las asperezas entre la unión del recubrimiento y la capa interior de combustión. Mientras las delgadas microcapas de material son rociadas dentro del molde, la proporción entre el material de recubrimiento y la capa de combustión se hace variar lentamente desde 100% recubrimiento, 0% capa; mezcla de 50 - 50; hasta 100% capa interior de combustión, 0% recubrimiento, creando una transición gradual entre los dos. De esta forma se distribuyen las tensiones causadas por la expansión inducida por el calor sobre el total de la zona de transición, en vez de hacerlo sobre los rincones afilados de la unión. El resultado es un cono de cohete increíblemente resistente al desgaste.

ver leyendaDerecha: Esta vista microscópica del corte transversal de la unión recubrimiento-capa interior del cono nos muestra la transición gradual de la deposición creada por la técnica de plasma al vacío.

El recubrimiento consiste en una aleación de níquel, cromo, aluminio e itrio, abreviada como NiCrAlY, (que Holmes pronuncia nick-RAL-ly). Esta aleación, además de proteger, también proporciona una alta resistencia al desgaste, siendo un excelente aislante contra el calor, reduciendo la temperatura de la capa interior de combustión durante el lanzamiento en 200o F.

Esta combinación de aislamiento térmico y resistencia al desgaste son ventajas que podrían tener una aplicación inmediata en el mejoramiento de motores para coches de carreras y automóviles corrientes, comenta Holmes. Los motores de los coches de carreras giran a muchas RPM (Revoluciones por minuto) más que los automóviles normales, algo como 12.000 RPM, contra 6.000 a 8.000 RPM en la mayoría de los automóviles. Este régimen de revoluciones implica un mayor desgaste, por lo cual los coches de carreras deben ser revisados frecuentemente. Un recubrimiento de NiCrAlY junto con zirconio (una capa de cerámica que actúa como barrera térmica), aplicado con la técnica de plasma al vacío, podría mejorar la vida útil de las cabezas de los pistones y de los cilindros de esos motores.

Los motores de los automóviles normales no sufren los esfuerzos extremos que soportan los motores de los coches de carreras, pero también pierden una enorme cantidad de energía (en forma de calor) y esto contribuye, en parte, a una alta ineficiencia en la operación de los motores de los autos. Recubrir las cabezas de los pistones y los bloques de las culatas de los motores con NiCrAlY permitiría una combustión más caliente para conseguir una mayor eficiencia y un uso más prolongado, especula Holmes.

Abajo:  El revestimiento metálico, de color plateado, del interior de esta muestra de cono de cohete es NiCrAlY.

ver leyendaEs difícil predecir las aplicaciones que los ingenieros encontrarán para el uso de esta nueva técnica, llamada Material de Gradiente Funcional (Functional Gradient Material, FGM). Sin embargo, la tecnología ya ha sido desarrollada. Holmes y sus colegas (Sandy Elam de MSFC y Tim McKechnie de Plasma Processes, Inc.) han realizado más de 100 pruebas de encendido utilizando pequeñas capas para cámaras de propulsión construidas de esta forma, y están en proceso de avanzar con diseños a mayor escala, hasta alcanzar el tamaño de las naves espaciales.

Con la ayuda de esta tecnología, la próxima generación de vehículos tripulados de exploración espacial podría recorrer miles de kilómetros más entre rutinas de mantenimiento.

Nota del redactor: La tecnología descrita en este artículo se deriva de las investigaciones sobre la ciencia de materiales básicos. Se inició hace unos años con los científicos que fundían aleaciones y semiconductores en hornos espaciales. La fusión y refrigeración de estas sustancias en microgravedad es una manera excelente de descubrir sus propiedades básicas, y crear, quizás, nuevos materiales nunca antes vistos en la Tierra. Pero existía un problema: los semiconductores como el arseniuro de galio carcomían los contenedores metálicos de refracción utilizados por los científicos para sostener los materiales dentro del horno, (como un cocinero usa las cazuelas en el horno). La tecnología de plasma al vacío con el proceso FGM fue desarrollada por la Oficina de Investigación Biológica y Física de la NASA para recubrir y proteger el interior de estos contenedores. Mejorar los motores de los cohetes ha sido algo no planeado, pero afortunado. ¡Nunca se sabe a donde nos llevará la investigación básica!