Intro

- La Nasa, la Nasa, la Nasa, siempre manda cohetes, cohetes, cohetes…

+ ¿Jairo, quién es esta gente y qué hacen en mi estudio?

- ¡Los gandules!

+ Hombre… De ahí a llamarlos vagos… Solo quería saber quienes son.

- Que no hombre, que son un grupo de… Bueno de música.

+ ¿Y qué hace un equipo de música en MÍ estudio?

- Pues porque hoy hablamos de motores y cohetes y he llamado a unos entendidos.

+ Ah, trabajan también en la Nasa o en la ESA.

- ¡Qué va! Pero tienen una canción sobre tirar cohetes al espacio.

+ …

- ¿Qué quieres por el presupuesto que tenemos? Lo intentamos con Pedro Duque pero no nos contesta los correos.

+ Y con razón.

- Bueno, no molestes que seguimos grabando... ¡Acción!

+ Eso es en las películas.

- Calla.

+ Lanzan dichos cohetes desde cabo cañaveral… Y montan una especie de andamio para poner el cohete bien vertical… Vertical.

- Yo voy a ir lanzando este capítulo porque esto cada vez tiene menos sentido… ¡Vaya circo!

+ Oye… ¿Nosotros cuando cobramos?

- DENTRO INTRO

+ ¡Oye!

Cabecera

Desde que el ser humano tiene memoria, siempre ha mirado al cielo. Estrellas, planetas,  constelaciones y demás movidas del inmenso, insondable, oscuro, aterrador, insultantemente largo a lo ancho y ancho a lo largo, caótico por naturaleza y nada acogedor espacio. Pero… ¿conoces el origen de sus historias? Empieza Astro.

Historia del motor (a reacción)

Aprovechando el éxito de la misión Artemis 2, nos hemos preguntado: ¿y cómo funciona un cohete? Y como ni Karaka ni yo tenemos ni idea, le hemos pedido al guionista que nos lo explique. Y así, de paso, pues tenemos un episodio.

Lo primero que tenemos que empezar es hablando de que hay dos tipos básicos de motores: los de combustión, y los motores a reacción. Bueno, también hay eléctricos, y motores híbridos que mezclan varios tipos. Pero para el episodio de hoy solamente vamos a hablar de los térmicos y de los de reacción, que son los que más presentes tenemos. ¿Y dónde está el origen de estos motores? Pues, con toda probabilidad, sean más antiguos de lo que piensas.

El primer motor a reacción documentado viene del siglo I de nuestra era, donde Herón de Alejandría inventó una cosa llamada la eolípila. Básicamente, era una pelota de metal hueca, rellena con un poco de agua, y dos tubos de escape opuestos entre sí. Como si una Z atravesase un balón de baloncesto. Cuando el metal se calentaba, el agua se convertía en vapor, escapaba por los tubos de escape, y hacía girar la invención en el sitio. Y ya está, eso era todo lo que hacía. Un adorno interactivo que utilizaban para las fiestas, y poco más.

Habría que esperar casi un milenio hasta que tuviésemos una aplicación útil de los motores de reacción: los fuegos artificiales. Inventados en China a principios del siglo 13, todos sabemos como funcionan. Enciendes una mecha en un cilindro relleno de pólvora con un pequeño agujero, y el cohete sale disparado. Hazlo lo suficientemente grande, y tienes uno de los cohetes modernos, los mismos que han logrado llevar a la misión Artemis hasta la luna. Bueno, no exactamente. Pero la idea es la misma.

¿Y eso donde nos deja a los motores de combustión? ¿Qué pintan en todo este meollo? Bueno, los motores de combustión son los que se utilizan en los coches, en las motos, y en las máquinas a vapor. Los primeros motores de combustión son más recientes, del siglo 19. El más famoso, obviamente, es la máquina de vapor: un motor en el que la combustión se realiza en una caldera aparte para calentar agua. La expansión del agua en vapor es lo que mueve un pistón y determina la potencia del motor.

Los motores de coche siguen el mismo principio: calentar gasolina, y que la misma gasolina al quemarse se expanda y mueve un pistón. Pero los motores de combustión tienen un problema en su propio diseño: para que un motor de combustión genera más potencia, necesita más volumen de expansión. Y sólo hay una manera de conseguir más volumen: con motores más grandes que usen pistones más grandes, o más pistones. Y ninguna de las dos soluciones es muy escalable.

De hecho, ese es el motivo del nacimiento del motor a reacción moderno. En la segunda guerra mundial, todos los aviones iban con grandes motores de combustión: auténticas bestias mecánicas que hacían girar las hélices del avión. Gira lo suficientemente rápido, y la hélice era capaz de generar suficiente empuje como para poner los aviones en el aire. Usa más hélices más grandes, y más grande es el avión que puedes poner en el aire.

Sin embargo, todos estos primeros aviones tenían un problema fundamental: una velocidad máxima. Da igual cómo de bueno fuese el motor, no había manera de hacer girar la hélice lo suficientemente rápido como para superar la barrera del sonido. El motor de combustión, simplemente, no podía girar más rápido sin desmontarse.

Y así nació la idea del motor a reacción moderno. Se rocía combustible en spray en el interior de un cilindro, y se prendía con una chispa. Como si de un fuego artificial con depósito se tratase, este sistema era increíblemente rápido. Y, esta vez sí, ya teníamos metales lo suficientemente resistentes como para aguantar la presión. En 1939 despegó el primer avión con motor a reacción. Y el resto de la historia es la carrera espacial que puso por primera vez al hombre en la luna, una historia que hemos dejado para otro episodio. Ya está publicado, tú buscalo.

Principios de funcionamiento

Muy bien , ya tenemos entonces el motor de reacción inventado. Pero esto iba de cohetes, y de cómo funcionan, y de momento, sólo hemos hablado de fuegos artificiales y aviones. Vamos a explicarlo un poquito más en detalle.

Todos los motores térmicos, tanto de reacción como de combustión, se basan en el mismo principio: una sustancia que, al calentarse, se expande. Como si el combustible explotase, la energía de la explosión busca huir en todas las direcciones a la vez. Un motor no es más que la manera que tenemos de aprovechar esa energía que huye de manera útil para nuestros propósitos.

En los motores de combustión, usamos pistones. El combustible explota, y empuja un pistón hacia abajo. Y mediante muchas partes mecánicas, logramos convertir ese movimiento de un pistón en lo que nos interese, desde empujar un coche o hacer girar las aspas de un cortacésped a una central eléctrica.

En los motores de reacción, usamos el principio de acción y reacción. Coge un cilindro, y rellénalo de pólvora. Si el cilindro es macizo, habrás hecho una granada que explotará “más o menos igual” en todas las direcciones. Pero si le haces un agujero, creas un desequilibrio. Habrá una pared del cilindro que no reciba la misma cantidad de energía de la explosión, porque parte se escapará por ese agujero.

Este desequilibrio es el que hace que el fuego artificial salga disparado. Una pared recibe más energía que la otra. Una pared recibe más empuje de dicha energía que la otra. Como consecuencia, el cilindro tiene empuje en una dirección, y sale disparado a reacción. Es el mismo principio físico que también hace que las botellas de coca salgan disparadas si le ponéis un mentos. O que si haceis un cohete de vinagre y bicarbonato. Hay muchas recetas de cohetes caseros. Si os animáis a hacerlo, subidlo a las redes sociales, y nos mencionais. Que siempre nos gusta ver esas cosas.

Obviamente, un cohete espacial no utiliza simplemente un fuego artificial. El principal problema de los motores a reacción es el control de la reacción. Los grandes aviones modernos utilizan turbinas para asegurar que la combustión se hace con un flujo y cantidad de aire concretos. Los cohetes de la NASA modernos utilizan hidrógeno y oxígeno líquido, que al mezclarse generan vapor de agua. Para poder mantener el hidrógeno y el oxígeno en estado líquido se necesitan grandes contenedores que sean capaces de mantener la temperatura del interior de forma estable durante mucho tiempo. Y, obviamente, la cámara en la que se realiza la combustión debe ser capaz de aguantar grandes presiones y temperaturas.

Pero no solamente el cilindro es importante: también es importante la forma del agujero. Si pensáis en un cohete, seguro que pensáis en una especie de cono del que sale todo el humo y la propulsión. Esta especie de cono es lo que se conoce como tobera, y es una parte fundamental del diseño de los cohetes modernos.

Las toberas cumplen dos funciones: por un lado, aseguran que el despegue del cohete no dependa de la presión atmosférica. Los gases siempre buscan las zonas de menor presión, y si el cohete expulsa aire con muchísima presión, el aire de la atmósfera tratará de entrar dentro de la zona de combustión, “ahogando” la chispa del interior. Al usar un cono, se facilita que los gases del escape igualen su presión con la atmósfera antes de salir al resto del mundo.

En fin, por dónde iba. Ah sí, las toberas. El caso es que la tobera hace otra función: aprovechar para tratar de extraer un poquito más de empuje del gas a medida que sale a reacción, tratando de coger toda la energía que se escapa mientras se igualan las presiones atmosféricas. La igualación entre presiones es tan importante que se puede llegar a perder el 30% del empuje del cohete. De ahí que se cancelen despegues de cohetes si el pronóstico meteorológico no cuadra.

Los verdaderos problemas

Llegados a este punto, nos vamos a permitir el lujo de afirmar que los motores de los cohetes no tienen mucha más ciencia. Y sería casi cierto, lo que realmente tienen es muchísima ingeniería por detrás. Buscar la mejor forma del cohete para poder controlar y maximizar el empuje del motor a reacción. Optimizar la forma de la boquera para que la diferencia entre presiones sea lo más gradual posible. Investigar formas en las que se prolongue el equilibrio entre presiones a medida que ascendemos por la atmósfera…

Precisamente, es esta parte de ingeniería la que hace que cada lanzamiento de un cohete siga siendo un evento en sí mismo. Si la cantidad de combustible es más elevada de lo esperado al comenzar la reacción, la explosión puede hacer que el contenedor ceda y el cohete “explote”. O que, aunque el contenedor no explote en sí, la onda de empuje inicial puede provocar que el combustible se quede “atrapado” en la boquilla del spray, y se interrumpa durante un momento el proceso de combustión del cohete. Lo cual hace que se vuelva a pulverizar más combustible de la cuenta, lo cual vuelve a atrapar parte del combustible…

Conseguir afinar todos estos “problemillas” es precisamente lo que hace los vuelos espaciales tan difíciles. Cada diseño de cada cohete lleva asociado un centenar de “pequeñas cosillas” que, al juntarlas, hace que el sistema no funcione si no se ha estudiado y analizado a conciencia. El combustible está caro, sí. El de los cohetes más. Y los materiales no son nada baratos. Pero si no fuese por esta increíble labor de ingeniería, fabricaríamos los fuegos artificiales más caros de la historia. Y yo no mandaría a nadie a la luna en un fuego artificial gigante, la verdad.

Cierre

Estos problemillas son precisamente las cosas a las que se dedican los ingenieros. A resolver y diseñar sistemas que impidan a esos resquicios de la física destrozar cohetes, puentes, carreteras, antenas o páginas web.

Muchísimas gracias a todos esos ingenieros que han sido capaces de lograr que los cohetes no exploten, y muchísimas gracias por escucharnos una semana más, y por ponernos vuestros comentarios. Os recordamos que nos podéis apoyar económicamente a través del enlace de Ko-Fi de la descripción, y de manera gratuita siguiéndonos y compartiendo este programa con quién tú quieras.

Nos vemos en el próximo episodio con más historietas del espacio!

Astro la próxima