La naturaleza volátil de los motores de los cohetes espaciales hace que muchos de los primeros prototipos acaben incrustados en bancos de tierra o bien decorando las copas de los árboles que tienen la mala suerte de rodear los lugares de prueba. De hecho, las explosiones involuntarias son tan frecuentes que los científicos especializados en cohetes han inventado un eufemismo para designarlas: rapid unscheduled disassembly, o RUD por sus siglas en inglés.
Cada vez que un motor de cohete explota, es necesario encontrar el origen del fallo para poder solucionarlo. Entonces se diseña, se fabrica, se envía al lugar de pruebas y se dispara un nuevo motor mejorado, y el ciclo vuelve a empezar, hasta que el único desmontaje que se produce es el lento y programado. Perfeccionar los motores de los cohetes de esta manera es una de las principales fuentes de retrasos en el desarrollo de lo que es una industria espacial en rápida expansión.
Hoy en día, la tecnología de impresión 3D, que utiliza aleaciones metálicas resistentes al calor, está revolucionando el desarrollo de cohetes por ensayo y error. Estructuras enteras que antes habrían requerido cientos de componentes distintos pueden imprimirse ahora en cuestión de días. Esto significa que en los próximos años se verán muchos más cohetes volando en pedacitos, pero las piezas de las que estarán hechos serán cada vez más grandes y menos numerosas a medida que se intensifique la carrera espacial del sector privado.
Los motores de los cohetes generan la energía equivalente a la detonación de una tonelada de TNT cada segundo, dirigiendo esa energía hacia un escape que alcanza temperaturas muy superiores a los 3.000 grados Celsius. Los motores que consiguen esto sin desintegrarse rápidamente de forma imprevista tardan al menos tres años en diseñarse desde cero, la mayor parte de los cuales se dedican al proceso cíclico de rediseño, reconstrucción, reencendido y repetición.
Esto se debe a que los motores de los cohetes son increíblemente complejos. Los motores F-1 del Saturno V que lanzaron a Neil Armstrong hacia la Luna en 1969 tenían 5.600 piezas cada uno. Muchas de ellas procedían de diferentes proveedores y tenían que soldarse o atornillarse individualmente a mano, lo que llevaba tiempo.
Figura 1. Los motores de los cohetes F-1 que lanzaron el Apolo 11 hacia la Luna estaban formados por miles de piezas individuales. (Crédito de la imagen: NASA/Wikimedia).
Este largo y costoso proceso podría haber estado bien en la década de 1960, cuando el gobierno de EE.UU. canalizaba el dinero a la NASA para alimentar la carrera espacial, pero para las empresas privadas simplemente lleva demasiado tiempo.
Añadiendo combustible a los cohetes
La clave del desarrollo rápido de un motor es reducir el número de piezas, lo que disminuye el tiempo de ensamblaje del motor y los trastornos causados por los retrasos en la cadena de suministro. La forma más fácil de hacerlo es cambiar los procesos de fabricación. Las empresas espaciales están pasando de los procesos de fabricación sustractiva -que eliminan material para dar forma a una pieza- a los procesos de fabricación aditiva que construyen una pieza añadiéndole material poco a poco.
Es decir, la impresión 3D. Actualmente, los ingenieros prefieren un proceso llamado sinterización selectiva por láser para imprimir en 3D piezas de motores de cohetes mediante un proceso aditivo. Funciona colocando primero una capa de polvo metálico, antes de fundir formas en el polvo con láser. El metal se une donde se funde y sigue siendo polvo donde no. Una vez que la forma se ha enfriado, se añade otra capa de polvo y la pieza se construye capa a capa. Para los motores de cohetes, se utiliza un polvo de superaleación de cobre Inconel, porque puede soportar temperaturas muy altas.
El sinterizado selectivo por láser permite imprimir múltiples componentes en la propia empresa, como una pieza unificada, en cuestión de días. Cuando se produce un RUD y se detecta el fallo, los ingenieros pueden crear una solución mediante un software de modelado en 3D, integrando piezas muy complejas en nuevos motores de cohetes para su lanzamiento de prueba unos días después.
El uso de la impresión 3D también ayuda a los fabricantes a reducir el peso del cohete completo, ya que se necesitan menos tuercas, tornillos y soldaduras para producir su compleja estructura. La impresión 3D es especialmente útil para fabricar la compleja tobera de refrigeración regenerativa de un motor, que dirige el combustible frío alrededor del motor caliente para enfriar simultáneamente las paredes del motor y precalentar el combustible frío antes de la combustión.
Por ejemplo, esta cámara de empuje de cohete de una sola pieza que se expone en el pabellón 2C, stand C354, del #ParisAirShow crea un componente de montaje reducido con conductos internos integrados y canales de refrigeración enrejados.
This single-piece rocket thrust chamber on display in Hall 2C Booth C354 at the #ParisAirShow creates a reduced assembly component with integrated internal ducts and latticed cooling channels. https://t.co/x7JddUk4yl pic.twitter.com/Q1WnErNs07
— SLM Solutions (@SLMSolutions_NA) June 19, 2019
El rediseño de los motores del Apolo F-1 mediante impresión 3D redujo el número de piezas de 5.600 a sólo 40. Ninguna empresa ha conseguido aún reducir este número a uno, pero es innegable que la impresión 3D ha dado lugar a una nueva era de desarrollo de motores de cohetes rápidos y eficaces.
Negocio viable
Esto es importante para las empresas espaciales privadas. Construir un cohete no es barato. Los inversores pueden volverse locos cuando la chatarra del RUD empiece a acumularse. Las empresas que aspiran a lanzar cargas útiles al espacio sufren un golpe de efecto en sus relaciones públicas cada vez que se ven obligadas a retrasar sus calendarios de lanzamiento por culpa de cohetes defectuosos.
Prácticamente todas las nuevas compañías de cohetes y las empresas espaciales están adoptando la tecnología de impresión metálica en 3D. Acelera su fase de desarrollo, ayudándoles a sobrevivir los años cruciales antes de conseguir llevar algo al espacio. Destacan Rocket Lab, que utiliza su motor impreso en 3D para lanzar cohetes desde Nueva Zelanda, y Relativity Space, que está imprimiendo en 3D todo su cohete. En el Reino Unido están Skyrora y Orbex. Esta última pretende lanzar un cohete con un motor impreso en 3D ya en 2022.
Queda por ver si un cohete entero, incluido su motor, puede imprimirse en 3D en una sola pieza. Pero es evidente que esa es la dirección que tomará una industria en la que la fabricación interna, ligera y compleja, definirá qué cargas útiles entrarán en órbita y cuáles acabarán desmontándose rápidamente en el momento menos oportuno.
Noticia tomada de: Space.com / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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