El sector aeroespacial de España está viviendo una auténtica edad de oro con compañías punteras en sus campos y apostando por tecnologías revolucionarias a nivel mundial. Una de ellas es Pangea Aerospace, que lleva desde 2018 enfrascada en el desarrollo de los motores de cohete tipo aerospike como alternativa a los tradicionales desde su sede en Barcelona.
Las ventajas de esta tecnología son muchas, pero también lo son los retos. De ahí que los aerospike no hayan prosperado desde que se plantearon por primera vez hace décadas. Aunque en Pangea son muy optimistas —también realistas— y planean tener algo muy sólido "dentro de poco".
En EL ESPAÑOL - Omicrono hemos hablado con Xavier Llairó, uno de los 6 cofundadores de Pangea y responsable de la parte comercial, estrategia, comunicación y marketing. Si bien Llairó viene de una rama más empresarial, el equipo fundador cuenta con la experiencia de 4 ingenieros aeroespaciales con distintas especialidades.
Ensayo de motor Demo P1
Entre ellos está Federico Rossi, ingeniero jefe de propulsión de la compañía, "que es una de las personas con mayor conocimiento en motores aerospike en Europa". Para Llairó, este tipo de tecnología "es bastante mejor de lo que hay ahora, tanto para subir como para regresar a la tierra".
En los cohetes lanzadores hay "dos grandes factores de coste: el hardware en sí y las operaciones". Llairó indica que, si no se innova en ambos, el resultado no es nada competitivo. Pone de ejemplo a Rocket Lab y su tecnología que no tiene competencia en la escala de pequeños lanzadores, "pero tiene un coste de lanzamiento por kilogramos 10 veces más elevado que el de SpaceX".
"¿Qué queremos hacer en España? ¿Ir hacia el mismo modelo que sabemos que no funciona, que es tecnología antigua y con grandes inversiones? ¿O apostar por tecnologías que van a abaratar los costes de acceso al espacio y que son más sostenibles al usar metano y oxígeno? Es un punto esencial". Pangea aboga por el segundo escenario con sus motores que prometen ser un punto de inflexión en la exploración espacial.
Un motor que hace historia
La primera aproximación de Pangea en el mundo de los motores aerospike llegó con el Demo P1. Fue su primer motor y también el primer propulsor de su tipo que se fabricó en Europa. "Hicimos historia", comenta Llairó. También indica que no había casi nada de literatura al respecto y, la poca que había, provenía de desarrollos de la NASA que finalmente no prosperaron.
Esquema de salida de gases de un motor de cohete formato campana
La gran diferencia entre un motor de campana —el tradicional como el que usa Elon Musk en sus cohetes Falcon— y uno aerospike es la geometría de la salida de gases del propulsor. En el primer modelo, esos gases están encorsetados por la boquilla de la campana independientemente de la presión externa; lo que esto provoca es que tan solo puedan diseñarse para trabajar correctamente en un rango de altitudes muy escasa donde la salida a chorro de los gases sea lo más recta posible. Ahí es donde alcanza el mayor rendimiento.
A nivel del mar, por ejemplo, la presión atmosférica estrecha demasiado la salida de gases, perdiendo rendimiento en el impulso e incluso puede destrozar el motor debido a las ondas de choque que se generan. Por otro lado, en el espacio exterior, los gases de escape estarán mucho menos confinados y, nuevamente, el funcionamiento no será optimo.
Motor tipo aerospike
Un motor aerospike invierte la geometría integrando una salida de gases totalmente abierta. Con esto se consigue que la propulsión no esté condicionada por la boquilla y sea la presión externa la que condicione los gases de propulsión. Esto consigue mejorar la propulsión de todo el cohete empleando solo metano y oxígeno.
Este tipo de propulsores permiten un alto rendimiento independientemente de la altitud a la que esté volando, lo que reduce de forma notable el consumo de combustible al tiempo que aumenta el empuje respecto los motores de cohete tradicionales. También llegarán a ser más baratos y ecológicos tanto por la simplificación de la tecnología a bordo como en la rama operativa.
Reentrada segunda etapa de un cohete de Pangea
El oxígeno y el metano son dos moléculas ampliamente disponibles y económicas de obtener. Además, esta segunda puede obtenerse de forma ecológica. No así el combustible RP-1 que suele emplearse en la mayoría de los propulsores tradicionales de campana y que se trata de un derivado del petróleo, semejante al queroseno.
En la sede de la compañía en la ciudad condal —tienen otra en la francesa Touluse— llevan a cabo todo el desarrollo tecnológico del cohete aerospike y también es donde realizan las pruebas. La primera creación de Pangea fue el motor P1 y sirvió como base para el desarrollo del Archos, el que promete ser el primer motor aerospike de la historia.
Una obra de orfebrería
"La gran complejidad de este motor es enfriarlo", reconoce Xavier Llairó. La solución de la NASA para el apartado de la refrigeración fue "casi un trabajo de orfebrería" realizado por unos técnicos que realizaban las canalizaciones y soldaduras durante horas de forma manual.
Y es que, el aerospike utiliza el oxígeno y el metano de la combustión también para la refrigeración del motor. Por esas canalizaciones circulan ambos líquidos a unos -180 grados y deben enfriar la pared del motor que, al otro lado, está a casi 4.000 grados centígrados.
Prueba de encendido de cohete Demo P1
"El hecho de utilizar los dos combustibles no lo había conseguido nadie en la historia". En la propuesta de la NASA eran tanta la complejidad y la cantidad de horas que había que invertir para fabricarlo que lo hacía "económicamente inviable".
También indica que el motor era tan eficiente como costoso de fabricar. Pero la fabricación aditiva de metal, también conocida como impresión 3D, no existía en aquellos años. Y es donde Pangea ha querido diferenciarse.
Encendido motor Demo P1
"La fabricación aditiva permite tener las geometrías complejas para poder enfriar el motor" sin requerir del trabajo artesanal de los técnicos. Con esta tecnología se pueden conseguir precisiones superiores a las que alcanza un humano y a un coste notablemente inferior. Pangea recurre a la compañía vallisoletana Aenium, especializada en impresión metálica en 3D, para resolver esta parte tan compleja.
"En la ESA han calificado a esta tecnología de propulsión como una tecnología disruptiva para la próxima década. Están muy sorprendidos". Junto con el CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial) y la ESA Pangea Aerospace ha conseguido un contrato de desarrollo para una parte del motor.
Reentrada y aterrizaje, clave
Otro de los pilares del motor de Pangea es que está desarrollado para poder efectuar más de un lanzamiento. Este concepto de reutilizar componentes es esencial si una compañía quiere ser competitiva hoy en día.
"Es algo que ya hemos validado a través de Computer Fluid Dinamics (CFD) realizando simulaciones en ambiente real primero y luego en un túnel de viento". Allí, los ingenieros de la compañía realizaron experimentos a 8 veces la velocidad del sonido en las instalaciones del Instituto Von Karman, en Bélgica.
Reentrada de la primera etapa
El diseño que han conseguido logra disipar mucho mejor las cargas térmicas y las mecánicas que sufre el lanzador en esta maniobra tan compleja. "Esto es muy importante porque facilita la reutilización sin tener una penalización grande en carga de pago y también abre la puerta para otro tipo de aplicaciones como etapas superiores reutilizables y aviones hipersónicos".
En esta fase también tiene mucha relevancia el material con el que han trabajado junto a Aenium. "Es muy bueno, pero es que, además, tenemos mucho conocimiento sobre otros materiales basados en cobre porque tienen una alta conductividad térmica". Según explica, en la NASA están ahora siguiendo los pasos que han dado desde Pangea y la ESA está "muy sorprendida de lo que hemos conseguido".
"Buscamos los límites del sistema"
El equipo técnico realizó en octubre y noviembre de 2021 varias campañas de pruebas para ensayar diferentes aspectos del Demo P1. "Fuimos muy agresivos y buscamos los límites del sistema". Llevaron a cabo varios encendidos con éxito variando la mezcla de metano y oxígeno para conseguir la fórmula perfecta, algo muy delicado teniendo en cuenta que ambos componentes son también los responsables de la refrigeración del propulsor.
Arcos es el motor que pretende ser comercial en un futuro próximo y por el que ya se han interesado varios actores europeos. "Está basado en todas estas tecnologías propietarias y que son las partes más críticas que hemos validado gracias a la investigación". El propulsor está, según explica Llairó, "bastante avanzado" y ya se están fabricando los primeros modelos.
Modelos del motor ARCOS
Cuenta con una potencia de 300 kN con modularidad de empuje, turbomaquinaria y, como gran diferencia respecto a P1, la simplificación al máximo del sistema. "No puedo compartir datos sobre la presión en cámara, pero sí puedo decir que en especificaciones está por encima de nuestros competidores europeos y a un coste igual o inferior".
Pangea, junto a varios socios, aplicarán con un proyecto en los Proyectos Estratégicos para la Recuperación y Transformación Económica (PERTE) con un lanzador completo. Un sistema que sea capaz ya de responder a las necesidades de sus potenciales clientes.
El Arcos tiene previsto poderse reutilizar un mínimo de 10 veces y realizarán la reentrada atmosférica completa si necesidad de encender el motor. "Con nuestro enfriamiento regenerativo, lo que realmente tenemos es un escudo térmico gracias a la geometría del motor". También emplearán la aerodinámica para conseguirlo, algo que ya realizan algunos pequeños lanzadores como el de Rocket Lab.
"El metano es el futuro porque hace que los motores sean mucho más fáciles de reutilizar que con el queroseno". Llairó indica que SpaceX se enfrenta en muchas ocasiones a cambios de motores en la primera etapa de los Falcon 9 precisamente por el hollín acumulado que se queda en los canales. Algo que no ocurre con el metano.