El cohete Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA y la nave espacial Orión, fotografiados aquí el 1 de febrero, están actualmente en la Plataforma de Lanzamiento 39B en el Centro Espacial Kennedy en Florida. – NASA
Si todo hubiera salido según lo planeado, cuatro astronautas podrían haber regresado esta semana de un viaje alrededor de la Luna histórico de 10 días.
En cambio, los ingenieros de la NASA han estado lidiando con el cohete y el combustible destinado a impulsar la misión, llamada Artemis II, y solucionando un problema demasiado familiar.
Apenas unas horas en una prueba previa al lanzamiento llamada ensayo de vestimenta húmeda a principios de febrero, los controladores de lanzamiento descubrieron que el combustible de hidrógeno líquido superenfriado estaba filtrando lo suficiente en la plataforma de lanzamiento como para plantear preocupaciones de seguridad. Las fugas de hidrógeno seguían apareciendo, lo que obligó a la NASA a detener el flujo de combustible al cohete varias veces.
El problema finalmente dejó a la agencia espacial incapaz de completar la prueba completa y llevó a más de una semana de investigaciones y reparaciones.
Si las molestas fugas de hidrógeno y una misión lunar retrasada evocan una sensación de déjà vu, puede ser porque la NASA ya ha pasado por esto antes.
El lanzamiento de un vuelo de prueba sin tripulación alrededor de la Luna en 2022, llamado Artemis I, se retrasó varias veces y estuvo a punto de ser frustrado por una filtración de hidrógeno similar antes de que un equipo de trabajadores de la NASA con monos entrara en escena en el último momento y arreglara manualmente una válvula con fugas. También hay registros de ingenieros luchando con problemas similares a lo largo del programa del Transbordador Espacial, que se desarrolló de 1981 a 2011.
Las fugas son una gran preocupación en tierra: el hidrógeno es muy fácil de encender y energético, lo que significa que demasiado en una zona plantea el riesgo de una explosión catastrófica.
Entonces, mientras los controladores de lanzamiento navegan por otro ensayo de «vestimenta húmeda» este jueves, la pregunta es: ¿por qué la NASA sigue utilizando este combustible notoriamente caprichoso?
Una molécula pequeña con un gran impacto
Los ingenieros fueron pioneros en el uso del hidrógeno como combustible para cohetes a mediados del siglo XX antes de que se utilizara en los cohetes Apollo para la Luna y la mayoría de los vehículos de lanzamiento que optaron por el combustible desde entonces también han luchado con fugas.
Por ejemplo, el cohete Vulcan Centaur, producido por la empresa militar estadounidense United Launch Alliance y basado en décadas de tecnología heredada, utiliza hidrógeno para impulsar la parte superior de su cohete. Y en 2023, una fuga de combustible causó una explosión de bola de fuego durante las pruebas del Vulcan Centaur en Alabama, dañando la infraestructura cercana y retrasando el lanzamiento inaugural del cohete.
Las tendencias de fuga del hidrógeno se pueden atribuir al hecho de que es el elemento más ligero en el universo. «Tiene la tendencia a encontrar su camino fuera de las cosas en las que se intenta contener», dijo Adam Swanger, investigador principal principal y ingeniero de investigación en criogenia del Centro Espacial Kennedy de la NASA. «Y tiene una densidad muy baja».
Para poner eso en perspectiva, el hidrógeno es aproximadamente 14 veces más ligero que el aire en la Tierra. Pero las mismas propiedades que hacen que el hidrógeno sea tan difícil de contener también lo convierten en un combustible de cohete ideal.
«La baja densidad es buena para el rendimiento», dijo Swanger a CNN. «Así que hay un tipo de compensación ahí».
Cuando se selecciona el combustible para un cohete, la consideración más importante es un concepto llamado «impulso específico», a menudo abreviado como Isp. Es una medida de cuánto empuje, o fuerza, puede generar un motor de cohete con una cantidad establecida de combustible.
Para calcular el Isp, el empuje previsto de un motor de cohete se divide por la velocidad a la que expulsa el peso de un propelente. Y el peso es crucial en los vuelos espaciales: cuanto más poder debe usar un cohete para levantar su propio peso, menos capacidad tiene el vehículo para transportar carga valiosa o personas a la órbita.
Se sabe que el hidrógeno tiene un impulso específico muy favorable porque es tan liviano y tiene un considerable impacto en el despegue. De hecho, es el mejor en la industria, con la mayor eficiencia de todas las opciones de combustible de cohetes, «por eso terminamos usándolo mucho», dijo Swanger.
Sin embargo, en el caso de Artemis, la elección de combustible de la NASA va más allá del rendimiento.
Factores políticos
A veces, se considera que el hidrógeno es más problema del que vale, dado su propensidad a provocar retrasos en los lanzamientos.
Sin embargo, el combustible también ofrece la mejor ventaja de eficiencia cuando se usa en el vacío del espacio. Es por eso que algunos constructores de cohetes optan por usar hidrógeno para las etapas superiores de los vehículos de lanzamiento, pero usan un combustible más manejable para la primera etapa de un cohete, que alberga todos los motores que dan el impulso inicial fuera de la plataforma de lanzamiento.
Los cohetes orbitales construidos por Blue Origin de Jeff Bezos o SpaceX de Elon Musk, por ejemplo, utilizan combustibles alternativos, como metano o RP-1, un tipo de queroseno, para las primeras etapas de sus cohetes.
Pero el cohete lunar de la NASA, llamado Sistema de Lanzamiento Espacial o SLS, utiliza hidrógeno tanto para las secciones superiores como para las de la primera etapa del vehículo.
Y hay una razón no tan obvia: «En última instancia, fue una decisión del Congreso que llegó a través de la ley de que la NASA tenía que usar el hardware de Shuttle y los contratistas y fuerzas laborales de Shuttle para hacer el SLS», dijo Casey Dreier, jefe de política espacial de la Sociedad Planetaria.
Un vehículo experimental
La NASA ha reconocido que el SLS puede ser caprichoso. Pero el vehículo todavía está en los primeros días de uso después de dos décadas de desarrollo.
Es «un vehículo experimental», dijo Amit Kshatriya, administrador asociado de la NASA, durante una conferencia de prensa el 3 de febrero junto con varios otros funcionarios de la agencia. «Nadie sentado en una de estas sillas debe llamar operativo a ninguno de estos vehículos».
Es importante tener en cuenta que la NASA no suele considerar que un cohete esté totalmente «operativo» hasta que entra en servicio rutinario, un hito que puede tardar bastante tiempo en alcanzar el SLS considerando lo infrecuente que vuela. Los funcionarios de la agencia espacial solo consideraron que el Transbordador Espacial estaba operativo, por ejemplo, después de completar sus primeras cuatro misiones, todas las cuales se realizaron con tripulación a bordo.
Kshatriya agregó que la NASA ha tenido dificultades para anticipar las fugas de hidrógeno del SLS y señalar cómo prevenirlas. Es posible que el proceso de llevar el cohete a la plataforma de lanzamiento haya contribuido a un problema de sellado con fugas que los ingenieros están investigando actualmente, pero la agencia aún no ha confirmado la causa.
Es «bastante complicado desde el punto de vista del estrés y la tensión. Eso no es una excusa», señaló Kshatriya, pero los ingenieros solo han comenzado recientemente a resolver cómo podrían desarrollarse estos problemas.
Tanto durante Artemis I como durante el primer ensayo de vestimenta húmeda de Artemis II a principios de febrero, se encontraron fugas en la misma área: el Mástil de Servicio de Cola Umbilical (TSMU), una estructura de tres pisos que conecta el cohete SLS con el equipo terrestre.
Para abordar los problemas más recientes encontrados en el TSMU, la NASA dijo que los técnicos reemplazaron recientemente sellos alrededor de dos de las líneas de propulsante en esa área.
Para llevar a cabo una prueba «de vestimenta húmeda» exitosa y mantener el cohete seguro el día del lanzamiento, la NASA debe mantener el índice de fuga durante el llenado de combustible por debajo del 16%, según el director de lanzamiento de la NASA, Charlie Blackwell-Thompson.
Y la NASA está empleando varios métodos para intentar mantenerse dentro de los límites aceptables. Aparte de trabajar para detectar y corregir la fuente de las fugas antes del llenado de combustible, la agencia también puede utilizar una técnica durante el proceso de carga de hidrógeno que implica calentar brevemente las líneas de combustible, con la esperanza de que los sellos puedan volver a una posición deseable antes de sumergirse nuevamente en temperaturas ultrafrías.
Algunos de los esfuerzos de solución de problemas pueden estar dando frutos, ya que el administrador de la NASA, Jared Isaacman, anunció a principios de este mes que una prueba en la que los ingenieros llenaron parcialmente los tanques de hidrógeno del SLS mostró mejoras. Basándose en revisiones de datos iniciales, la agencia no observó algunas de las fugas que preocuparon en el ensayo anterior de vestimenta húmeda, dijo Isaacman.
¿Será siempre el hidrógeno un problema?
La lucha crónica de la NASA para contener su combustible de elección dentro del cohete plantea la pregunta de si el cohete SLS siempre lidiará con fugas de hidrógeno o si se puede encontrar una solución permanente.
Kshatriya señaló que si bien un cohete SLS ha volado antes, el vehículo no es reutilizable. Eso significa que el SLS en la plataforma de lanzamiento hoy es completamente nuevo y puede tener sus propias peculiaridades.
El ensayo de vestimenta húmeda de principios de febrero fue «la primera vez que esta máquina en particular ha sido testigo de criógenos», dijo Kshatriya, refiriéndose a combustibles superenfriados. «Y cómo respira y cómo ventila, y cómo quiere fugar, es algo que tenemos que caracterizar».
Pero evitar completamente las fugas de hidrógeno puede requerir avances en ciencias de materiales.
«En lugar de preguntar por qué el hidrógeno es difícil de manejar, desde un punto de vista de la ciencia de materiales, se pregunta», ¿tienen los materiales existentes suficiente tenacidad de fractura?», explicó Jihua Gou, profesor del departamento de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Florida Central.
El hidrógeno líquido debe mantenerse a la temperatura insondablemente fría de menos 423 grados Fahrenheit. Y la infraestructura que lo contiene debe poder resistir los enfriamientos frecuentes hasta esa temperatura.
«El mayor problema es el cambio de temperatura. Y las juntas son una cosa, pero a lo que están sujetas las juntas también cambian de forma», señaló Swanger, el ingeniero de investigación de la NASA.
La NASA está utilizando actualmente polímeros de teflón llamados PTFE, señaló.
«El teflón se usa típicamente porque ha sido históricamente el que funciona mejor. Simplemente no hay muchas opciones», dijo Swanger. Y «se convierte en un problema realmente desafiante con interfaces realmente grandes».
El cohete SLS, señaló, tiene limitaciones de diseño específicas. Su enorme tamaño, por ejemplo, complica la búsqueda de una solución permanente para las fugas de hidrógeno porque un cohete masivo requiere una gran capacidad de flujo para el combustible, aumentando el riesgo de filtraciones.
«Cuando sumas todos estos requisitos muy especiales, estás realmente limitado en lo que puedes hacer», dijo Swanger. «Creo que si hubiera un conjunto diferente de requisitos, o si comenzaras desde cero, averiguar cómo hacer algo que absolutamente no puede fugar es probablemente posible.
Pero no hay marcha atrás para el SLS, señaló, «y en realidad no es práctico intentar hacerlo».
Si la idea de un vehículo propulsado por hidrógeno evoca algunos incidentes peligrosos, como el desastre del Hindenburg, Swanger también enfatizó que la NASA al menos comprende cómo usar con seguridad el combustible a veces rebelde.
«Puede usarse absolutamente de manera segura sin problema, e incluso con estas fugas que hemos tenido, nunca hemos tenido un accidente», dijo Swanger.
