Motor VASIMR otro hito logrado

El motor VASIMR ha logrado con éxito completar 88 horas de encendido contínuo.

Durante las pruebas un sensor que no relacionado con el motor, falló y el software decide apagar el motor. Se han completado 88 horas de encendido contínuo.  Así lo reporta el astronauta e inventor Franklin Chang Díaz.

Y seguro las preguntas llegarán a tu cabeza.

Es un motor para viajes espaciales que revolucionaría los viajes espaciales por ser muy eficiente en consumo de propelente.  Un motor debe lograr impulso, y el impulso se calcula de la siguiente manera:

Un motor de cohete convencional, es en realidad una explosión controlada.  Es decir, ocurre una reacción química que trae expansión de gases.  El motor del cohete encauza la expansión de gases en una sola dirección, lo que causa que haya un chorro de material salga por la tobera. Por la tercera ley de Newton, si lanzas material en una dirección, el vehículo irá en la dirección opuesta.  Y este simple principio es el que da origen a los cohetes.

El problema de los motores de combustión es que el chorro tiene una velocidad fija, de modo que si necesitas más impulso, necesitas más masa de combustible, y al tener más combustible, una parte del impulso se dedica a empujar ese combustible extra. Por eso los tanques de combustible son tan gigantescos. Es decir, gastas combustible para empujar el combustible que consumirás más arriba.

El impulso específico (Isp en inglés) es el cambio en el impulso por unidad de masa para los combustibles de cohetes, o más bien, cuánto más empuje se acumula a medida que usa ese combustible. El impulso específico de un propulsor de cohete es una medida aproximada de qué tan rápido se expulsa el propulsor de la parte trasera del cohete.

Cada tipo de motor de cohete tiene su Isp particular. El motor VASIMR (Motor de magnetoplasma de impulso específico variable) tiene un Isp variable, porque es capaz de acelerar masa a velocidades distintas.

El funcionamiento de este motor empieza por bombardear átomos de propelente con una frecuencia dada hasta que electrones de la capa exterior del átomo salgan disparados, y eso crea una diferencia de cargas entre el núcleo y la capa de electrones, con lo cual se tiene un ion, un átomo cargado eléctricamente. Esos iones se almacenan en un recipiente magnético y se aceleran a alta velocidad y finalmente son disparados a la velocodad deseada.  Esto es mucho más eficiente que tener masa lanzada a una velocidad constante.

Puesto en forma simple, el motor de combustión es como la primera marcha de un coche. Sirve para trepar cuestas, es muy fuerte, pero gasta demasiado combustible.  El VASIMR es como la sexta marcha de un coche. No empuja mucho, pero es muy eficiente. Los motores de combustión seguirán usándose para salir de la atmósfera hacia la órbita. Pero una vez en el espacio lo mejor es cambiar a un motor VASIMR.

Para ir a Marte con motor de combustión, haces un encendido de motor desde la órbita de la Tierra hasta agotar el combustible destinado para la transferencia planetaria (ir a otro planeta) y todo el viaje lo haces con el motor apagado (excepto correcciones de curso mínimas durante el viaje para compensar perturbaciones gravitacionales). Es como si fueras a viajar por el desierto plano. Enciendes el coche y pones la primera marcha y aceleras hasta gastar el combustible y el resto del viaje vas con el impulso. De esta manera se tarda 7 meses en llegar a Marte.  Con el VASIMR se tarda 39 días, y el motor tendría que permanecer encendido todo el tiempo.  Una parte del viaje acelerando, y la otra, frenando para finalmente insertarse en la órbita marciana.

El I+D siempre tarda mucho. Desarrollar un nuevo microchip toma como 15 años y el I+D en cohetería toma como 20 a 25 años.  Normalmente con los microchips no te das cuenta porque la venta de microchips financia el I+D de modo que un día nos dan la sorpresa acerca del nuevo chip que lleva años gestándose en los proyectos de I+D.  Es decir, cuando consigues el último microchip, estás atrasado en la tecnología, porque el I+D va mucho más adelante.

Un caso claro es el de SpaceX que arranca en 2002 y no es sino hasta años recientes que ha logrado sorprendernos.  Y mucho del avance que se logre viene de poder captar el dinero para financiar el I+D, por lo que si la recaudación va lenta, el I+D irá más despacio.

Lo primero es que el I+D funciona distinto de otras inversiones.  En las inversiones normales te fijas en la rentabilidad de un trimestre, en las inversiones de I+D crees en el producto e inviertes cada vez que se logra un hito.

Cuando haces I+D esencialmente estás tratando de convertir una idea en algo que funciona, y aparecerán toda clase de dificultades técnicas, y hay enfoques buenos y enfoques malos para arrancar con un I+D.   ¿Cómo saber si vas por buen camino? La NASA usa la metodología TRL Technology Readiness Level.  Es una metodología muy probada y demostrada.

 

 
Veamos cómo podemos entender un proyecto bueno y uno malo.

Edificio que cuelga desde el espacio
Quieres construir un edificio en la atmósfera que cuelga desde la órbita. Un objeto en órbita baja viaja a 7.5 km/segundo, si va más lento, se cae. Para colgar un edificio en la atmósfera, el edificio debería viajar a esa velocidad, o de lo contrario el edificio se vuelve ancla y el objeto en órbita es tirado hacia abajo por el edificio.  Es como remolcar un submarino con un jet de combate.

Puedes ver que este proyecto no cumple con el TRL1, donde el proyecto empieza con unos principios básicos observados y reportados. Eso sí, debes saber de los principios de la ciencia detrás del invento.

Ingenieria reversa de un viejo motor ruso
Los motores Kuznetsov NK-33 fueron construidos en la Unión Soviética a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970, 43 de los cuales fueron comprados por Aerojet en la década de 1990. El cohete Antares iba a hacer la ingeniería reversa de los motores para hacerles funcionar. ¿Qué puede salir mal?  Ya tienes el motor, sólo debes mejorarlo.

El problema es que no contaban con los ingenieros rusos que diseñaron el motor. De modo que aunque el principio de motor a reacción claramente funciona, los principios para diseñar (entender) ese motor en específico, y poder encontrar puntos de fallo, no se tenía. Tampoco disponían, como sí dispone SpaceX (VIDEO: GPUs to Mars: Full-Scale Simulation of SpaceX's Mars Rocket Engine), de herramientas de simulación para hacer pruebas. En tiempos de la carrera espacial, muchas veces los planos no coincidían con el diseño final. Y los diseñadores encontraban trucos para saltarse dificultades que nunca se documentaban, y eso es cierto tanto para los coheres rusos como para los americanos. Es que todo iba a la velocidad de la luz.  Era una carrera contra tiempo.

El cohete Antares debía llevar esos nuevos motores, pero el dinero para I+D se acabó y no lograban llegar a cumplir el siguiente hito de TLR.  Entonces piensan que será mejor usar los motores rusos que debían funcionar, y así recaudar el resto del dinero para continuar.  Lo que no contaban es con que esos motores posiblemente no fueron almacenados en las mejores condiciones durante 50 años, por lo que podían tener daños. Y el resultado fue que el cohete explotó en 2014.  Quisieron saltarse los pasos del TLR y no funcionó. Quizás habría sido mejor usar el dinero para diseñar las herramientas para alcanzar el siguiente TRL.  El proyecto no estaba mal, lo malo fue no seguir la metodología.

Alta rotación en el I+D del X-31
El problema de no tener a la gente que domina el tema, también ocurrió con el accidente del avión X-31 (VIDEO: How One Sensor Destroyed a Super Plane).  En el proyecto hubo alta rotación de personal, de modo que los ingenieros diseñadores no estaban durante el proceso de pruebas.  Con la destrucción del prototipo, y sin los diseñadores originales, no había como continuar de manera segura.  La pérdida de know-how dio al traste con el proyecto.

Cohete Proton ruso 2013
En 2013 explota un cohete ruso Proton (VIDEO: Rocket with Sensors Installed Backwards Flies Upside Down). La razón del fallo fue que alguien instaló un sensor al revés.  Entonces el cohete creía estar apuntando hacia abajo y no hacia arriba y al tratar de corregir la trayectoria, se estrelló.  Probablemente el empleado que hizo eso no tuvo un buen día al día siguiente.  No hubo problema de TRL.

Cohete Falcon 9 2015
En 2015 explota un cohete de SpaceX (VIDEO: SpaceX Falcon 9 Rocket Explosion June 28, 2015 (HD)). Al analizar el incidente, se encuentra que un componente fabricado por un tercero, una empresa certificada AS9100, falló. AS9100 es el estándar QMS aeroespacial reconocido internacionalmente, que se centra en los sistemas necesarios para proporcionar productos, procesos y servicios de calidad de manera constante. Las industrias de la aviación, el espacio y la defensa se encuentran entre los sectores comerciales de mayor riesgo y más regulados del mundo.  La lección aprendida por SpaceX fue "confiar, pero verificar".  La empresa que entregó ese componente probablemente no ha de haber tenido mucha demanda después de este incidente.  No hubo problema de TRL.

Transbordador Challenger
En 1986 explota el transbordador Challenger. La empresa Thiokol había desarrollado los Solid Rocket Boosters (SRB) que servían de cohetes auxiliares para el Space Shuttle.  El diseño se componía de una serie de anillos colocados unos sobre otros.  El día del lanzamiento, había clima frío y el ingeniero en jefe sabía que cohetes con diseño similar en Vandenberg habían sufrido fugas de material en combustión al fallar los sellos que unen los anillos. Los medios de comunicación llenos de analfabetismo científico sólo alcanzaban a reportar que un montón de empleados públicos vagos estaban postergando el despegue y gastando dinero de contribuyentes en empleados que no hacían nada.  Sólo podría haber despegue si el CEO de Thiokol firmaba aprobando el lanzamiento. El CEO le pregunta al ingeniero por evidencia de que habría un problema. Como nunca se gastó dinero en ese tipo de pruebas, no había datos.  Y en ese tiempo la tendencia gerencial era el principio de "evidence based management" (gestión basada en la evidencia).  Como no había datos, entonces el CEO aprueba el lanzamiento, y en pocos minutos tuvo la evidencia que tanto buscaba. Es que el CEO se confundió:

Como puedes ver en este caso, no hubo un problema de TRL, sino que fue una mala praxis gerencial.

Aunque a veces tratan de pintarnos lo aeroespacial como la sociedad utópica de Star Trek donde todos se aman y se dan besos y abrazos con los logros, en el mundo real existe mucha rivalidad.  Esa rivalidad la vimos en el caso de Elon Musk con sus cohetes que eran basureados por astronautas famosos (VIDEO: Elon Musk prueba que todos estábamos equivocados - Subtitulado). Las grandes empresas aeroespaciales conslidadas no querían que Musk entrara en el negocio, no querían competencia. Astronautas famosos de la era Apolo empezaron a cuestionar el trabajo de Musk, en una guerra de narrativas.  Elon Musk demostró que estaban equivocados.

De la misma forma, el motor VASIMR también ha enfrentado una guerra de narrativas. En 2011 un conocido personaje, de cuyo nombre no quiero acordarme, que buscaba financiamiento de gobierno para sus proyectos sobre colonias espaciales marcianas, empezó a basurear al VASIMR y a la NASA.  Incluso organizó una conferencia en la que dudo que la entrada fuera gratis, para decir todas las razones por las cuales todo lo que se muestra hoy en este post, no iba a ser posible.

Incluso dijo que la idea de la NASA parecía Battlestar Galáctica, obviamente con un tono despectivo. Y todo para apuntar con el dedo y decir nuestra idea es la mejor la de los otros es terrible. Con el tiempo, Elon Musk presenta su concepto animado del Starship y habla de crear una flota de naves al estilo de Battlestar Galáctica para ir a Marte.  No sabemos si Musk se enteró de la basureada de ese personaje al VASIMR y a la NASA, pero fue como un balde de agua fría para ese personaje, cuyo nombre no me atrevo a mencionar para no avergonzarlo.  Su prédica parecía más a uno de esos videos de sectas, donde la vehemencia trata de convencerte de que al hablar con más volumen, la verdad es más fuerte.

Lo interesante es que los cuestionamientos del personaje al VASIMR se refieren a dificultades técnicas a resolver en las etapas del TRL, y si sabes sobre I+D y TRL, sabrás que cuando el I+D no está en TRL9, todavía tiene cosas que resolver.  El personaje juzgaba el VASIMR como si ya estuviera en TRL9.   Si. Los cuestionamientos de este personaje sólo engañarían a alguien que no sepa sobre I+D y sobre el TRL y la ciencia detrás del VASIMR. Era una guerra de narrativas.

Comparar un proyecto en TRL9 con uno que está en proceso de TRL5 es un absurdo.

De este modo verás también rivalidades entre otros fabricantes de motores que funcionan con iones, pero no entregan tanto empuje como el VASIMR. 

Por ejemplo, uno de los  cuestionamientos es que para dar el empuje que el VASIMR da, se necesitaría de páneles solares enormes. ¿Y eso que tiene que ver con que VASIMR funcione o no?   Si se trata de paneles solares, ese cuestionamiento debería dirigirse a Spectrolab (una empresa de Boeing) o a Tesla (que hace páneles solares).  ¿Será que están diciendo que en Spectrolab y Tesla no van a ser capaces de inventar algo así?   Notas el razonamiento ilógico del cuestionamiento.  Ese tipo de razonamientos abundan en el sector aeroespacial.

Si inviertes, es bueno que tengas criterio propio, porque hay gente muy locuaz y vehemente jugando juegos de narrativas.  Y te quieren enrolar en su secta para que creas en un producto sobre otro.  Lo bueno de VASIMR es que no se mira una secta a favor de ese motor. Y las sectas de los competidores emiten razonamientos cuya intención parece cuestionable.

Los guerreros de la narrativa basurearon a SpaceX y .también lo hacen con VASIMR.

EEUU ha convertido todo en una secta. Si no es una secta deportiva, es una secta política.  Debes tener esto en cuenta si vas a invertir en I+D o en aeroespacio.

El proyecto VASIMR va avanzando. Tienen que ir haciendo pruebas, con cada vez más horas, para garantizar que el motor podrá ajustarse a los requerimientos, y como está en I+D siempre surgirán dificultades y problemas técnicos a resolver. Eso es normal en I+D porque si ya todo estuviera resuelto estarías en TLR9.

Cuidate de las sectas en la guerra de narrativas.  Ya hemos visto en post anteriores cómo han querido cuestionar a Tesla, cuando en realidad el combo Tesla-SpaceX se parece más a Boeing que a General Motors o Mercedes Benz.  En 1997 también veías mucho en medios de comunicación "mainstream", que Amazon era un negocio que no iba a funcionar.

Usar el pensamiento crítico es esencial en aeroespacio, y entender cómo funciona la navegación espacial y los principios científicos detrás de cada producto, es esencial también.

Sirve para navegar en el espacio.  No sirve para llevar cosas de la Tierra a la órbita, para eso tienes los motores químicos.  ¿Qué tipo de usos tiene?

¿Y por qué es necesario durar menos en un viaje a Marte?  La radiación de 7 meses en el espacio puede dejarte ciego y dañarte el cerebro. La última frontera no es el camión para ir a Marte, sino preservar la vida humana en el espacio.

La recolección de basura espacial presenta un problema. Para recoger la basura primero debes alinearte con la órbita (cambio de inclinación orbital) y eso, con un motor de combustible químico, gasta cantidades de combustible equivalente a viajar a otro planeta.  Piénsalo bien. Viajas a 7.5 km/segundo y quieres virar tu órbita hacia los lados. Se necesita mucho empuje para hacer girar ese vector de velocidad.  ¿Te imaginas el costo de estar subiendo cohetes con combustible químico para recoger basura sin valor?  Allí la eficiencia en uso de propelente juega un papel determinante.

¿Y por qué recoger basura?  Hay 10 veces más objetos basura que satélites activos funcionando. Y el acierto de la película Gravity es mostrar la destrucción, que esas balas hipersónicas llamadas basura espacial, pueden causar.  Igual que la pandemia, el crecimiento de la cantidad de basura es exponencial. Si llega a haber un síndrome Kessler, donde ir al espacio es bailar en un tiroteo, todo el comercio espacial y las industrias y negocios que dependen de satélites, se irían al cuerno por varios siglos, mientras la basura espacial empieza a caer lentamente hacia la Tierra.

 

 
La película tiene unos pocos detalles no realistas, pero la idea general de la película es de valor educativo, al presentarnos los peligros de la basura espacial.  Tarde o temprano va a ser necesario recoger esa basura, y mientras más tarde, mayor será el riesgo para la industria aeroespacial y mayor será el negocio de recoger basura.

¿Y acaso otros motores iónicos podrían hacer lo mismo?  Hay problemas con esos otros motores:

En resumen, el VASIMR es algo así como el avión OV-10 Bronco que se encuentra en un punto medio entre un helicóptero y un A-10 Thunderbolt (VIDEO: OV-10 Bronco - Ametralladoras, cohetes y 3 toneladas de munición - Guerra de Vietnam). El VASIMR se encuentra, en materia de desempeño en un lugar intermedio entre los motores iónicos y los de combustión.  Cuando se abandona el fanatismo de las sectas, se mira ese punto medio.

¿Qué tendrá que pasar para que finalmente digan que hay que recoger la basura?  No lo se, pero el sindrome Kessler de la película Gravity, no es un problema de si va a ocurrir o no, sino cuando.