El pasado 17 de abril, la compañía SpaceX se quedó a las puertas de culminar uno de los grandes hitos de la exploración espacial: la primera prueba de vuelo orbital de la nave Starship y el cohete espacial más potente jamás creado, el Super Heavy. A apenas 40 segundos para el lanzamiento, un problema de congelación en una de las válvulas de presurización del cohete supuso la cancelación del vuelo hasta la próxima ventana de lanzamiento, prevista para el 20 de abril.
Si todo sale según lo esperado, el Starship será impulsado por el Super Heavy durante aproximadamente 3 minutos. A partir de ahí, ambos se desacoplarán. El cohete amerizará en el mar cerca del Golfo de México, mientras que la aeronave continuará su trayectoria hasta alcanzar una órbita terrestre entre 150 y 250 km de altitud. Tras hora y media de vuelo (sin llegar a completar la órbita) caerá en el océano Pacífico, a unos 400 km de la isla de Kauai, Hawai.
Sin embargo, la ambición de SpaceX y de su director general, Elon Musk, es la de llegar a Marte con una misión tripulada. No solo llegar, sino también volver a la Tierra, lo cual supone un reto tecnológico jamás afrontado en la historia de la exploración espacial.
Lo importante es volver de Marte
Uno de los principales retos es el diseño de su escudo térmico. El principal requisito que debe cumplir, aparte del de garantizar la supervivencia de la carga útil o de los astronautas que transporta, es permitir la reutilización de la nave para el regreso a la Tierra. Hasta la fecha, todos los vehículos espaciales que han utilizado un escudo térmico similar han estado expuestos a una única maniobra de reentrada en la atmósfera terrestre. En este caso tendría que soportar dos: la marciana y la de regreso a la superficie terrestre.
Los programas espaciales han empleado cápsulas de reentrada con diseños similares desde hace décadas, incluyendo las cápsulas Mercury, Gemini, Apollo, Orion y la cápsula Dragon de SpaceX. Todas ellas necesitan un escudo térmico para disipar el calor generado durante la reentrada, que puede representar hasta el 50% de la estructura de la misma.
Los escudos térmicos utilizan materiales ablativos, que se degradan para disipar el calor transmitido a la cápsula por la corriente de gases a alta velocidad que rodean el vehículo. Durante la reentrada, se pueden alcanzar temperaturas de hasta 3.000ºC en la superficie del escudo, algo incompatible con la vida de los astronautas en el interior. La respuesta combinada del material ablativo y la disipación de calor por radiación tendría que evitar que la estructura de la cápsula y su interior se sobrecaliente.
Imagen: Recuperación de la cápsula Dragon poco después de que aterrizara con los astronautas de la NASA Robert Behnken y Douglas Hurley a bordo en el golfo de México frente a la costa de Pensacola, Florida, el domingo 2 de agosto de 2020.
¿Podrían servir las cápsulas de reentrada para un viaje de ida y vuelta? Realmente no. Éstas no son reutilizables, debido a la alta degradación que sufren durante el vuelo.
El programa del transbordador espacial Space Shuttle durante los años setenta significó el primer paso para el desarrollo de vehículos de reentrada reutilizables. El objetivo del escudo térmico en ambos casos era el mismo: minimizar la transferencia de calor al interior del vehículo. Sin embargo, los medios usados diferían significativamente porque el transbordador espacial seguía una trayectoria basada en un vuelo con sustentación, menos exigente a nivel térmico, alcanzándose temperaturas más bajas.
El diseño del escudo se basó en la utilización de diversas variedades de aislantes térmicos, mayoritariamente en forma de azulejos, que permitían una fácil sustitución tras la reentrada. Estos azulejos consistían en un relleno de fibra de sílice muy poco conductivo (prácticamente formado por un 90% de aire) a los que se les dotaba de la rigidez necesaria mediante un recubrimiento cuyas propiedades permitían además maximizar la disipación de calor por radiación.
Imagen: piloto del SNS-1 Robert L. Crippen descendiendo las escaleras de la nave espacial Columbia tras su reentrada en la Tierra el 14 de abril de 1981.
El Space Shuttle se reutilizaba tras el correspondiente mantenimiento entre vuelos y, en caso de que fuese necesario, los azulejos dañados eran reemplazados por otros exactamente iguales.
En un viaje a Marte, en el que el Starship tendrá que hacer una maniobra de entrada a la atmósfera marciana, es de esperar que parte del escudo térmico se deteriore debido a las altas temperaturas a las que se verá expuesto. Sería necesario un proceso de reparación antes de volver a la Tierra.
Sin embargo, esto no estaba en los planes de Elon Musk. En palabras suyas: "El Starship necesita estar listo para volar de nuevo inmediatamente tras el aterrizaje. Cero remodelación".
Una nave espacial con doble piel
La primera idea que rondó la cabeza de los ingenieros de SpaceX era absolutamente revolucionaria: una nave de acero inoxidable completamente expuesto, sin rastro de un escudo térmico que protegiese a la nave durante la entrada en la atmósfera. ¿De qué manera se pretendía conseguir?
Si tomamos como referencia la propia naturaleza, podríamos preguntarnos cómo se refrigera el cuerpo humano. El sudor, básicamente agua, al entrar en contacto con un ambiente seco, se evapora. Sin embargo, el agua, para evaporarse, necesita energía que toma de nuestro propio cuerpo consiguiendo mantener así su temperatura. Este proceso se denomina enfriamiento evaportativo, algo que lleva empleándose décadas en la industria y en la centrales térmicas y nucleares como mecanismo de refrigeración.
Si trasladamos esto al diseño del Starship, se podría desarrollar una nave espacial dotada de una doble piel. La más externa sería porosa, de manera que durante la reentrada circulase entre ellas un flujo de metano líquido, por ejemplo, dada la facilidad para obtenerlo en Marte. El metano absorbería gran cantidad de calor durante la reentrada, evaporándose y saliendo del vehículo a través de los poros. Pero es demasiado complejo.
Azulejos de tipo cerámico
La complejidad de este tipo de soluciones hizo que SpaceX se decantara por un escudo térmico pasivo que guarda bastantes similitudes con el Space Shuttle a nivel conceptual.
En las últimas pruebas se observa que prácticamente dos tercios de la superficie de la nave espacial estarán recubiertos por más de 18.000 azulejos (en este caso de tipo cerámico) con forma hexagonal, dispuestos sobre la estructura de acero inoxidable. Entre los azulejos y la estructura se colocará una especie de manta formada por fibras de sílice o alúmina para aislar la estructura interna de la parte exterior, expuesta a mayores temperaturas.
Estos azulejos se fijan a través de tres puntos de unión, manteniendo cierto movimiento relativo entre ellos excepto en las partes más críticas de la nave, donde se utiliza un adhesivo para reducir el riesgo de desprendimiento.
La homogeneidad del diseño del escudo hace que resulte relativamente sencilla la sustitución de los azulejos dañados por otros, sin necesidad de disponer de recambios específicos para cada uno de ellos como ocurría con el Space Shuttle.
Junto con otras innovaciones en ingeniería y tecnología, el escudo térmico del Starship allana el camino para viajar a Marte, y para otras exploraciones espaciales de larga distancia, lo que podría resultar clave para el futuro de la humanidad en el espacio.
David González-Bárcena, Profesor ayudante en el Departamento de Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial de la ETSIAE e invesigador en el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio da Riva", Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
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