Estamos en la era espacial. Los cohetes se lanzan al espacio casi todos los días. Las estaciones espaciales orbitales han albergado a seres humanos de forma continua durante décadas. El cielo está plagado de satélites y telescopios espaciales. Los humanos han estado en la luna y están regresando. Y los robots están dispersos por todo el sistema solar y deambulando por la superficie de Marte.
Toda esta increíble innovación tiene una deuda con un modesto experimento que tuvo lugar hace 100 años: el 16 de marzo de 1926, el físico e ingeniero estadounidense (y colaborador ocasional de Scientific American) Robert H. Goddard lanzó un prototipo de cohete de 11 pies de altura y 10 libras apodado “Nell” desde un huerto de coles en Auburn, Massachusetts. Nell estuvo en el aire solo durante unos segundos, pero su vuelo fue un hito: el primero en la historia. Despegue de un cohete de combustible líquido.
Antes de ese momento entre las coles, se utilizaba combustible sólido en todos los cohetes anteriores, y se remonta a las “flechas de fuego” llenas de pólvora que se empleaban para luchar contra los invasores mongoles en la China del siglo XIII. Los combustibles líquidos dotaron a los cohetes de un empuje más potente y, gracias a su flujo variable, también ofrecían más control, precisamente lo que se necesitaría para cualquier intento serio de vuelo espacial. Otros de los primeros visionarios (Konstantin Tsiolkovsky de Rusia y Hermann Oberth de Alemania) también se habían dado cuenta del potencial transformador de los cohetes de combustible líquido, pero Goddard fue el primero en demostrarlo.
Sobre el apoyo al periodismo científico
Si está disfrutando de este artículo, considere apoyar nuestro periodismo galardonado suscribiéndose. Al comprar una suscripción, ayudas a garantizar el futuro de historias impactantes sobre los descubrimientos y las ideas que dan forma a nuestro mundo actual.
El resto, como dicen, es historia. Para conmemorar el centenario del vuelo de Goddard y comprender lo que depara el futuro para los cohetes, Scientific American habló con dos expertos de la NASA: Kurt Polzin, ingeniero jefe del Proyecto de Propulsión Nuclear Espacial en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA, y David Manzella, tecnólogo senior de propulsión espacial en el Centro de Investigación Glenn de la NASA.
[An edited transcript of the interview follows.]
Dado lo modesto que era el prototipo “Nell” de Goddard en comparación con los cohetes actuales, ¿crees que es realmente exacto decir que el vuelo de Nell hace un siglo marca el comienzo de la “cohetería moderna”?
KURT POLZIN: Robert Goddard fue una figura pionera que llevó la cohetería más allá de sus raíces tempranas en los sistemas de propulsor sólido, como los botes llenos de pólvora. Su enfoque científico y analítico estableció un marco para diseñar y mejorar sistemáticamente los componentes de los cohetes, una metodología que todavía se sigue en la actualidad.
El histórico vuelo de Goddard sentó las bases para el desarrollo de varios sistemas de propulsión espacial, incluidos cohetes químicos, cohetes nucleares-térmicos y propulsión solar y nuclear-eléctrica. A pesar de sus diferencias, estos sistemas comparten un principio común: convertir una fuente de energía (ya sean enlaces químicos, reacciones nucleares o energía solar) en una corriente de gas o partículas de alta velocidad que produce empuje.
En particular, la idea de Goddard se extendió a la propulsión eléctrica. En sus notas, reconoció el potencial de acelerar partículas cargadas, como electrones, para la propulsión, un concepto que anticipó los propulsores de iones que ahora se utilizan en las naves espaciales modernas.
Los lanzamientos espaciales son ahora tan comunes que apenas se los considera de interés periodístico. Uno podría tener la impresión de que hemos llegado al límite de lo que pueden hacer los cohetes químicos inspirados en Goddard. ¿Cuáles cree que son las fronteras restantes?
POLZIN: Los cohetes químicos, a menudo asociados con el trabajo pionero de Goddard pero que ahora abarcan un siglo de innovación colectiva, han sido la columna vertebral de la exploración espacial. Las combinaciones de propulsores tradicionales, como oxígeno líquido e hidrógeno líquido, oxígeno líquido y queroseno y varios propulsores sólidos para motores de cohetes, se han perfeccionado ampliamente. Los avances recientes de las empresas del “nuevo espacio” han introducido alternativas como el metano y los propulsores híbridos, que podrían ofrecer mayores ventajas en términos de confiabilidad, costo y flexibilidad operativa.
Los enfoques innovadores, como los aterrizajes con etapa de propulsión (utilizados por los cohetes Falcon 9 de SpaceX y New Glenn de Blue Origin, por ejemplo) han reducido los costos de lanzamiento y han aumentado la frecuencia de lanzamiento, haciendo que el espacio sea más accesible que nunca. Es probable que los cohetes químicos sigan siendo el medio principal para alcanzar la órbita en el futuro previsible, pero es importante recordar que en realidad no puede existir ningún cohete “definitivo”: diferentes misiones requieren diferentes soluciones y ningún diseño de cohete puede servir para todos los propósitos.
De cara al futuro, aún quedan varias fronteras para los cohetes químicos. Los avances en la gestión de fluidos criogénicos pueden permitir misiones de larga duración que utilicen propulsores químicos al evitar la ebullición, mientras que el trabajo continuo sobre propulsión nuclear y la proliferación de sistemas de propulsión en miniatura para “CubeSats” y “SmallSats” prometen ampliar aún más el panorama. Y ni siquiera hemos empezado a arañar la superficie en casos de uso como el vuelo de cohetes en otros planetas, ya sea para cambiar de ubicación o para impulsar cargas útiles o astronautas fuera de la superficie.
David, esta pregunta es para ti. Los sistemas de propulsión en el espacio son bastante diferentes a los cohetes utilizados para lanzar cargas útiles desde los planetas. ¿Qué te entusiasma acerca de hacia dónde se dirige la cohetería?
DAVID MANZELLA: Bien, yo personalmente trabajo en sistemas de propulsión en el espacio, que son las tecnologías utilizadas para propulsar las naves espaciales una vez que alcanzan la órbita. Para esos sistemas, el desafío fundamental es no tener una relación empuje-masa mayor que 1; es decir, normalmente producen menos empuje del que se necesitaría para poner una carga útil en órbita. Pero se necesita propulsión en el espacio porque los objetos colocados en órbita son valiosos y normalmente es necesario utilizarlos durante muchos años.
Actualmente, eso significa que, cuando lanzas algo, desde el principio, necesitas llevar todo el combustible que necesitarás y utilizarás durante la vida útil de esa nave espacial. Las tecnologías en las que trabajamos intentan abordar este problema mediante la fabricación de motores de cohetes extremadamente eficientes en el consumo de combustible (lo que normalmente llamamos propulsores) y una de las mejores formas de hacerlo es aumentar el propulsor agregándole energía eléctrica. Y esa energía se genera en el espacio.
Hoy en día eso se hace utilizando paneles solares fotovoltaicos. Sin embargo, tenga en cuenta que cuanto más potentes sean esos sistemas eléctricos, más empuje podrán proporcionar estos propulsores de propulsión eléctrica y más grandes serán las cosas que podremos empujar en el espacio.
Mi ejemplo favorito de esto es el elemento de potencia y propulsión en desarrollo de la NASA, que tiene un sistema de energía de 60 kilovatios que su sistema de propulsión a bordo podría usar para empujar una nave espacial de 18.000 kilogramos a la luna usando menos de 3.000 kg de propulsor. Todo un contraste con los vehículos de lanzamiento, donde el 90 por ciento de la masa es propulsor, ¿verdad?
Eso es impresionante. Y sé que el elemento de potencia y propulsión aún no ha volado al espacio; de hecho, usted y sus colegas lo activaron por primera vez en una prueba el año pasado. ¿Qué te entusiasma en el futuro?
MANZELLA: Lo emocionante del futuro es que se podrán desarrollar sistemas de potencia aún mayor, y algún día los paneles solares fotovoltaicos podrían ser reemplazados por sistemas nucleares que generen órdenes de magnitud más de electricidad. La NASA está desarrollando la tecnología que permita esto para cosas que incluyen la exploración humana de Marte en la actualidad. ¡Eso es lo que me emociona!
POLZIN: Permítanme abordar esto también. Lo que más me entusiasma sobre el futuro de los cohetes es el horizonte en expansión tanto de rendimiento como de aplicación. Los cohetes, en esencia, son herramientas, indispensables para permitir la exploración y utilización del espacio, pero no instrumentos de descubrimiento en sí. Su verdadero valor radica en su capacidad para ofrecer las tecnologías y cargas útiles que impulsan la investigación científica, la exploración y, cada vez más, el establecimiento de una presencia humana duradera más allá de la Tierra.
En lo que respecta al rendimiento, la innovación sigue superando los límites. Los avances en los sistemas de propulsión prometen mayor eficiencia, confiabilidad y alcance. Esto se logra mediante mejoras graduales en los cohetes químicos, la experimentación con nuevas combinaciones de propulsores como el metano o los híbridos o la búsqueda de sistemas como la propulsión eléctrica solar y nuclear. Estos avances son cruciales para afrontar misiones ambiciosas, como viajes tripulados a Marte o misiones de retorno de muestras al espacio profundo. Y una gama diversa de sistemas de propulsión es esencial para cumplir con un amplio espectro de objetivos científicos, comerciales y exploratorios.
Desde la perspectiva de la aplicación, los desarrollos más interesantes implican ir más allá de la exploración hacia la expansión y la utilización. Estamos empezando a pensar con audacia en preguntas como: ¿Cómo entregamos y regresamos humanos de Marte de manera segura? ¿Cómo podemos recolectar y devolver muestras de cuerpos distantes del sistema solar? ¿Qué infraestructura se necesita para pasar de la exploración inicial al establecimiento de una presencia permanente en el espacio? La visión se extiende más allá e implica aprovechar los recursos y capacidades obtenidos de la expansión al espacio a través del programa Artemis de la NASA, permitiendo operaciones sostenibles y nuevas oportunidades para la ciencia, la industria e incluso la vida diaria más allá de nuestro planeta.
En última instancia, el futuro de los cohetes consiste en potenciar nuevas posibilidades. A medida que los usuarios finales obtienen acceso a una gama cada vez mayor de opciones de lanzamiento, están mejor equipados para realizar diversas misiones: avanzar en el conocimiento científico, desarrollar empresas comerciales o sentar las bases de una civilización espacial permanente. El campo se nutre de ideas audaces y soluciones inventivas, y estoy muy entusiasmado de ver cómo darán forma a la próxima era de exploración y desarrollo espacial.
MANZELLA: De hecho, estamos entrando en una nueva era en la historia de la humanidad en la que todos y cada uno de nosotros podríamos vernos afectados diariamente por sistemas espaciales. Creo que esa tendencia sólo se acelerará en el futuro. Está claro que el espacio se está convirtiendo en una parte cada vez más importante de nuestra forma de vida a medida que la tecnología continúa avanzando. Y sí, gran parte de este progreso se remonta al primer vuelo de Robert Goddard hace un siglo.