Cómo funcionan los cohetes y por qué importan los cohetes reutilizables

Cómo funcionan los cohetes: acción y reacción

Póngase unos patines y lance hacia adelante una pelota pesada: rodará hacia atrás. Esa imagen cotidiana encierra todo el secreto de un cohete, porque a toda acción le corresponde una reacción igual y opuesta. Un cohete expulsa una enorme cantidad de gas caliente por la tobera de su motor en una dirección, y así el cohete es empujado en la dirección contraria.

Un error frecuente es pensar que un cohete se apoya en el aire o en el suelo para impulsarse. No necesita ninguno de los dos, porque el empuje procede del gas que expulsa. Por eso los cohetes funcionan perfectamente en el vacío del espacio, donde no hay aire en absoluto.

Empuje, combustible y por qué un cohete es sobre todo propelente

El empuje es la fuerza que produce un motor. La mayoría de los cohetes lo generan quemando un combustible con un oxidante, una sustancia que aporta el oxígeno necesario para la combustión. Un motor a reacción toma el oxígeno del aire que lo rodea, pero en el espacio no hay aire que respirar, así que un cohete lleva el suyo. El combustible y el oxidante, juntos, reciben el nombre de propelente.

Entre las combinaciones más habituales están el hidrógeno líquido, el queroseno refinado o el metano líquido, cada uno quemado con oxígeno líquido. Otros cohetes usan propelente sólido, alojado en una carcasa resistente.

Y aquí viene lo sorprendente. Un cohete debe transportar el propelente necesario para elevar el resto de su propelente, de modo que la mayor parte de su peso en la plataforma de lanzamiento es propelente. La estructura, los motores y la carga útil, es decir, el satélite o la cápsula tripulada situada en la parte superior, solo representan una pequeña fracción, y por eso los ingenieros se esfuerzan tanto en aligerar cada pieza y en hacer cada motor más eficiente.

Por qué los cohetes tienen etapas

Imagine una larga caminata con una gran botella de agua que nunca puede dejar, ni siquiera cuando ya está vacía. Un cohete de un solo cuerpo tendría el mismo problema: mucho después de que sus tanques estuvieran casi vacíos, seguiría cargando con toda esa pesada estructura. La solución es dividirlo en etapas.

Un cohete de varias etapas es, en realidad, dos o más cohetes apilados uno sobre otro. La primera etapa, a menudo llamada propulsor, hace el trabajo pesado a través de la parte más densa de la atmósfera. Cuando agota su propelente, se separa y la siguiente etapa enciende su propio motor, que ahora empuja un vehículo mucho más ligero.

Cada etapa puede adaptarse a su tarea. Los motores de la primera etapa rinden mejor en el aire denso cerca del suelo, mientras que los de las etapas superiores suelen tener toberas más grandes, pensadas para el casi vacío de las grandes alturas. Desprenderse de peso por etapas es lo que permite que la última alcance la velocidad orbital.

Alcanzar la velocidad orbital: la clave es ir muy rápido en horizontal

Mucha gente imagina un cohete que sube en línea recta. Subir es la parte más fácil, ya que un límite del espacio de uso habitual se sitúa a unos 100 km sobre el suelo. El verdadero reto es avanzar en horizontal lo bastante rápido como para mantenerse arriba, y por eso un cohete se inclina suavemente poco después del despegue y dedica la mayor parte de su ascenso a ganar velocidad a lo largo del horizonte.

Una órbita es, en realidad, una caída interminable. Si lanza una pelota, describe una curva y vuelve al suelo; si la lanza más rápido, cae más lejos. Cerca de la Tierra, a unos 7,8 km/s, el suelo se curva bajo un objeto en caída tan rápido como este desciende, de modo que sigue cayendo alrededor del planeta en lugar de caer sobre él.

La Estación Espacial Internacional, a unos 400 km de altura, viaja a unos 28.000 km/h y da la vuelta a la Tierra en unos 92 minutos, unas 16 veces al día. Para escapar por completo de la atracción terrestre y poner rumbo a la Luna, Marte y más allá, la velocidad necesaria desde la superficie es de unos 11,2 km/s. Pruebe distintas alturas en la calculadora de órbitas para ver cómo cambian la velocidad y la duración de cada órbita, y lea la guía sobre satélites y órbitas para descubrir para qué se usa cada tipo de órbita.

El regreso a casa: reentrada y escudos térmicos

Volver a la Tierra significa perder toda esa velocidad. En lugar de transportar aún más propelente para frenar, la mayoría de las naves espaciales usan la atmósfera como freno. Cuando una cápsula se adentra en el aire a velocidad orbital, el aire que tiene delante se comprime con tanta fuerza que se calienta muchísimo, y esa capa incandescente se encarga de buena parte del frenado.

Un escudo térmico protege la nave durante esta fase. Algunos escudos se carbonizan y se desgastan poco a poco, llevándose el calor consigo, mientras que otros usan losetas que aíslan la nave. Una forma ancha y roma también ayuda, porque empuja por delante de la nave un colchón de aire caliente.

Una vez que la nave ha frenado, los paracaídas o los motores toman el relevo para un final suave. Algunas cápsulas descienden en paracaídas sobre tierra firme o sobre el mar, y algunas etapas de cohete ya usan sus propios motores para frenar y posarse en vertical, lo que nos lleva a uno de los cambios más emocionantes de los vuelos espaciales.

Propulsores reutilizables: cohetes que aterrizan y vuelven a volar

Durante la mayor parte de la historia de los vuelos espaciales, desde el primer satélite artificial en 1957, los cohetes volaban una sola vez. Cada propulsor cumplía su tarea y no se volvía a utilizar, algo parecido a construir un avión nuevo para cada vuelo.

Los propulsores reutilizables cambian ese panorama. Tras separarse de la etapa superior, una primera etapa reutilizable da media vuelta, vuelve a encender sus motores para orientarse y frenar, y regresa a través de la atmósfera guiada por pequeñas aletas. Sus motores se encienden una vez más cerca del suelo para posarse suavemente sobre sus patas de aterrizaje, en vertical, en una plataforma en tierra o flotante en el mar, lista para recibir mantenimiento y volver a volar.

SpaceX fue pionera en hacer aterrizar en vertical propulsores de clase orbital y en volver a hacerlos volar, y ha contribuido a que la reutilización sea una parte habitual del acceso a la órbita. Su trabajo ha animado a ingenieros de todo el mundo a diseñar cohetes, motores, etapas superiores y cápsulas pensando en la reutilización, de modo que preparar el siguiente vuelo se parezca más a revisar un avión que a construir uno nuevo.

Por qué la reutilización cambia lo que es posible

Cuando las piezas más caras de un cohete pueden volver a volar, cada viaje a la órbita puede costar menos y los vuelos pueden ser más frecuentes. Un acceso a la órbita más frecuente y menos costoso abre espacio a ideas que antes parecían inalcanzables.

La reutilización también cambia la forma de trabajar de los fundadores: cuando es más fácil conseguir un viaje a la órbita, un equipo puede probar una idea en el espacio, aprender de ella y lanzar antes una versión mejorada. El futuro de la inversión en el espacio explica cómo este cambio influye en la forma de pensar de los inversores a largo plazo, y el explorador de la economía espacial muestra las capas que se construyen sobre el lanzamiento.

• Vuelos más frecuentes, para que satélites y experimentos pasen menos tiempo esperando su turno para volar.
• Acceso a la órbita menos costoso, para que equipos más pequeños, universidades y empresas jóvenes puedan participar.
• Aprendizaje más rápido, porque los ingenieros pueden estudiar equipos que han volado y han regresado.
• Margen para nuevas ideas, desde la observación de la Tierra al servicio de la agricultura, los bosques y la meteorología hasta la investigación en microgravedad.

La perspectiva de Nicole Junkermann

Nicole Junkermann, emprendedora e inversora de capital riesgo que presenta el podcast Resumen de IA, sostiene desde hace tiempo que el capital paciente es importante para la tecnología profunda (deep tech). Los cohetes son un ejemplo muy claro: las ideas básicas son fáciles de enunciar, pero convertirlas en equipos que aterrizan y vuelven a volar exige años de ingeniería cuidadosa y de apoyo constante.

En su opinión, los cohetes reutilizables importan sobre todo como infraestructura: un acceso a la órbita fiable y repetible sobre el que otros pueden construir con confianza. Suele preguntarse qué se vuelve posible cuando un problema difícil se resuelve de forma fiable, y quién podrá construir a continuación. Puede leer más en su visión sobre el futuro de la inversión en el espacio o descubrir cómo maduran las tecnologías con el explorador de niveles de madurez tecnológica.