Motores Raptor
Todo era nuevo. La idea de ir al espacio era nueva y desafiante. No había libros de texto, así que teníamos que escribirlos
Katherine Johnson
Los motores de un cohete son esencialmente su corazón y en el caso de Starship son los Raptor. Se trata de un desarrollo propio de SpaceX, ligado al objetivo de propulsar el vehículo espacial con el que sueñan transportar gente al ‘planeta rojo.’ Dada la magnitud de la tarea, debe cumplir con una serie de requisitos en extremo exigentes. A tal punto es esto cierto que sólo se intentó otras dos veces desarrollar motores similares… ¡y jamás pasaron la etapa de prueba! A continuación se hablará, entonces, de ejemplares únicos entre los motores cohete.
Motores Cohete
Estos generan empuje –una fuerza– acelerando material en una dirección, lo que causará la reacción deseada en el sentido opuesto. Es la tercera ley de Newton: acción y reacción. Los motores a chorro de los aviones siguen ese mismo principio, pero tienen una gran diferencia: funcionan en la atmósfera, por lo que el aire les provee el oxidante –oxígeno. En el espacio esto no es posible y, así, ambos propelentes, combustible y oxidante, deben estar a bordo del vehículo.
El Motor Raptor: las Bases
En vista de las misiones para las que se los usará, estos motores deben responder a los siguientes criterios:
- Utilización de propelentes obtenibles en Marte.
- Gran cantidad de usos.
- Eficiencia extrema.
Propelentes
Su elección, en gran medida, está conectada con la posibilidad de producirlos con los recursos naturales marcianos. La atmósfera es mucho más tenue que la terrestre, pero contiene un 95 % de dióxido de carbono, lo cual aporta el carbono, para el combustible. Por otro lado, la abundante presencia de agua en el planeta –congelada en los polos, pero también en otras formas– permite obtener oxígeno, que es el oxidante, e hidrógeno, para el combustible. Así puede repostarse una Starship, produciendo metano –combustible– y oxígeno –oxidante–, cuya combinación suele llamarse «metalox», mediante procesos respondiendo a las siguientes ecuaciones:
Reacción de Sabatier: CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Otra ventaja de esta combinación de propelentes –otras muy empleadas son queroseno (RP-1) y oxígeno: querolox, o hidrógeno y oxígeno: hidrolox– es que se encuentran en estado líquido a temperaturas muy similares. Para su uso criogénico, es beneficioso no tener grandes saltos térmicos dentro del cohete. Lo que es más, comparado con el hidrógeno líquido, el metano tiene menos dificultades de almacenaje y cabe en un menor espacio al ser más denso, resultando en tanques más pequeños.
Reutilización
Es algo esencial de la filosofía de diseño del vehículo y, por extensión, de sus motores. Debido a ello, su operación en general no puede requerir fluido adicional alguno, como pudiera ser el TEA-TEB –elemental para la ignición de los motores Merlin– o el helio –de aplicación en la presurización de los tanques del Falcon 9. En cambio, un motor Raptor tiene bujías eléctricas para iniciar la combustión y, a su vez, gasifica los propelentes para retroalimentarlos en este estado a los tanques, otorgándoles la presión necesaria de manera autógena.
Paralelamente, la combustión de metalox genera mucho menos hollín que la del querolox. Así, el motor corre menor riesgo de empaste o puntos calientes, ambos perjudiciales para su vida útil. De este modo, puede operar mayor cantidad de veces antes de necesitar mantenimiento, requiriendo un trabajo menor, en ese caso.
Eficiencia
Otra faceta muy importante a considerar es la huella de tobera, que es su área de salida. Específicamente, es de relevancia saber, no sólo el tamaño, sino si el motor queda totalmente contenido dentro de ella en una vista en planta. De ser así, favorece a que quepan más motores en un espacio dado. Para poner cualitativamente en perspectiva, el motor Raptor queda esencialmente contenido en su huella de tobera, mientras que el Merlin no debido al generador de gas, debajo del cual está el «hexcan». Por ende, la huella efectiva del segundo es mayor que la de tobera, y en consecuencia la relación de empuje a área de huella efectiva tiende a decrecer. Es decir, se dispone de menos empuje por metro cuadrado.
Fisionomía
Considerando el aspecto práctico, existen entonces dos motores más pequeños llamados prequemadores: uno con mezcla de propelentes rica en metano y en el otro, rica en oxígeno. Se les inyecta algo de oxígeno y metano, respectivamente, en cada una de sus cámaras de combustión. Así tiene lugar un quemado parcial, pero suficiente para impulsar las turbinas. Cada una de ellas es independiente y está encargada de transmitir movimiento a una sola bomba, contrariamente a otros motores que usan una sola turbina para ambas. Esta última configuración requiere un sello separando los flujos de propelentes, el cual puede convertirse en un punto de falla.
Asimismo, previo a ingresar al prequemador ‘de metano,’ el mismo transita por las paredes de la tobera, refrigerándola a la vez que toma temperatura. En este estado es enviado al prequemador. Paralelamente y de forma similar al caso del oxígeno, una fracción del combustible es evaporada y enviada al tanque cumpliendo con la presurización autógena.
Habiendo pasado por las dos precombustiones, ambos flujos son vertidos a la cámara de combustión principal. Allí arriban como gases calientes, permitiendo que en el proceso que tenga lugar allí se incremente la cantidad de moléculas efectivamente combinadas.
Por consiguiente, el quemado de propelentes libera una mayor cantidad de energía, incrementando la presión y la temperatura de los gases resultantes.
Resta transformar tanto como sea posible de ambas magnitudes en velocidad de escape de los gases de combustión. Ésta es la función de la tobera.