Una recreación artística del ferry espacial Tierra-Luna [más]

Una vez que el hombre regrese a la Luna y empiece a “vivir y trabajar allí por períodos cada vez más largos de tiempo”, tal como se perfila en la nueva Visión para la exploración espacial, cada vez más, los viajes frecuentes entre la Tierra y la Luna serán necesarios para transportar a la gente y las provisiones.

El mantenimiento de un “ferry espacial” estacionado en una órbita terrestre, en lugar de devolverlo a la tierra y gastar dinero y combustible para volver a lanzarlo fuera de la superficie del planeta cada vez, es un argumento para hacer el frecuente viaje a la Luna más económico. Un vehículo más pequeño se utilizaría entonces para trasladar a la gente entre la tierra y el ferry.

Esta idea tiene algunas ventajas, pero también presenta un obstáculo a la ingeniería, el mantenimiento. ¿Cómo hacer el mantenimiento de un vehículo que no regresa nunca a la Tierra?|

Los motores principales del Transbordador Espacial, la “crème de la crème” actual de la propulsión líquida en cohetes, han de regresar a la tierra entre misiones para un exhaustivo mantenimiento. Las severas condiciones dentro del cono de combustión del motor, las sustancias químicas reactivas y las temperaturas superiores a los 2.760º C (5.000º F), provoca asperezas en el material en que está construida la cámara de combustión del liner, denominado “blanching” (blanqueado). La superficie interior del liner lentamente se va poniendo polvorienta y escamosa, y esta corrosión empeoraría si no se puliera entre misiones.

Los motores similares serían una amenaza en un futuro contra la seguridad de un ferry espacial después de varias idas y venidas a la Luna sin “parar en boxes” en la Tierra.

Recubrimientos especiales pueden proteger los liners de los motores de combustión de los daños, pero estos recubrimientos también tienen sus inconvenientes. Porque estos materiales se expanden en diferente medida en presencia de calor, el recubrimiento se expandirá de forma diferente por el liner bajo las altas temperaturas de encendido del cohete. En los bordes afilados donde el recubrimiento se une a la superficie del liner, está diferencia en la expansión partirá a las dos partes, llevando a la separación y levantado de capas. El recubrimiento resuelve un problema pero crea otro, el mantenimiento regular sigue siendo obligatorio.

Un cono de combustión (lado izquierdo) de un cohete siendo construido rociando material en un molde con plasma caliente (lado derecho).

Pero ahora los científicos del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA (MSFC), han desarrollado una solución a este problema. Usando la técnica avanzada del “plasma de vacío” para rociar tanto al recubrimiento como al liner en un molde, construyendo despacio, capa a capa, han aprendido a construir una cámara de combustión del motor de un cohete capaz de resistir más de cien encendidos seguidos sin la más ligera aparición de asperezas o creación de burbujas.

“Parece ser básicamente impenetrable al desgaste por uso intensivo, al menos dentro de los límites de nuestros ensayos”, comenta Richard Holmes, un ingeniero en el MSFC. Esa cualidad convierte a un cohete construido con esa técnica en un excelente candidato a ser el ferry espacial por su escaso mantenimiento o para ser un vehículo de lanzamiento de próxima generación, explica Holmes. La técnica también puede tener utilidad en la mejora del funcionamiento de los motores en los coches de carreras y aumentar la eficacia de los motores normales de automoción.

Esta vista microscópica del corte transversal del borde del recubrimiento del cono nos muestra la transición gradual de la deposición creada por la técnica de plasma al vacío.

La ventaja de esta técnica no se encuentra en algo que se añade, sino en cómo se hacen los bordes afilados entre el recubrimiento y el liner de combustión. Las micro delgadas capas de material son rociadas hacia el molde, la proporción de material de recubrimiento del liner varia lentamente del 100% mezclando hasta el 50% - 50% y continuar hasta el 100% del material del liner, creando una transición gradual entre los dos. De esta forma se distribuyen las tensiones causadas por la expansión inducida por el calor sobre el total de la zona de transición, en vez de hacerlo sobre los rincones afilados. El resultado es un cono de cohete terriblemente duradero.

La capa en sí misma es una aleación de níquel, cromo, aluminio e itrio, abreviada como NiCrAlY, (que Holmes pronuncia nick-RAL-ly). Esta aleación además de proteger también proporciona una alta resistencia al desgaste, siendo un excelente aislante contra el calor, reduciendo la temperatura del liner de combustión del cohete durante el lanzamiento en 200ºF.

Es esta combinación de aislamiento térmico y resistencia que mantiene la esperanza para los coches de carreras y los motores de los automóviles, comenta Holmes. Los motores de los coches de carreras giran a muchas más RPM (Revoluciones por minuto) que los automóviles que vemos en la calle, no es extraño que sea por encima de las 12.000 RPM, contra las 6.000 a 8.000 RPM en la mayoría de los automóviles. Este régimen de revoluciones mayor implica un mayor desgaste, y los coches de carreras deben ser revisados frecuentemente. Un NiCrAlY aplicado con la técnica de plasma al vacío que cubriera de zirconio, (un recubrimiento cerámico que actúa de barrera térmica), podría mejorar la vida de las cabezas de los pistones y de los cilindros de esos motores.

El revestimiento metálico, de color plateado, del interior de esta muestra de cono de cohete es NiCrAlY.

Los motores de los automóviles no soportan los esfuerzos extremos que realizan los motores de los coches de carreras, realmente desperdician una enorme cantidad de energía como el calor, eso es lo que hace, en parte, que los motores de los coches sean tan ineficaces. Recubrir las cabezas de los pistones y los bloques de las culatas de los motores con NiCrAlY permitiría una combustión más caliente para conseguir una mayor eficacia y una vida más duradera, especula Holmes.

El tiempo dirá las utilidades que encuentran los ingenieros a esta nueva técnica, llamada (FGM) Functional Gradient Material, (Material de Escala Funcional), pero la tecnología ya está desarrollada. Holmes y sus colegas (Sandy Elam de MSFC y Tim McKechnie de Plasma Processes, Inc.) han realizado más de 100 pruebas de encendido utilizando pequeños liners con cámaras de empuje construidas de esta forma, y están en proceso de progreso hacia diseños más grandes, hasta alcanzar el tamaño de las naves espaciales.

Con la ayuda de esta tecnología, la próxima generación de vehículos tripulados de exploración espacial podría recorrer muchas más millas entre comprobaciones de mantenimiento.

Nota del redactor: La tecnología descrita en este artículo es un beneficio indirecto de la investigación básica de la ciencia de materiales. Empezó hace unos años con los científicos que fundían aleaciones y semiconductores en los fundiciones espaciales. La fusión y refrigeración de estas sustancias en microgravedad son un modo excelente de aprender sus propiedades básicas, y crear, quizás, nuevos materiales nunca vistos antes en la Tierra. Pero había un problema: Los semiconductores como el arseniuro de galio se comían los contenedores metálicos de refracción utilizados por los científicos, (como un cocinero usa las cazuelas en el horno), para sostener los materiales dentro del horno. La tecnología de plasma al vacío con el proceso FGM fue desarrollada por la Oficina de Investigación Biológica y Física de la NASA para recubrir y proteger el interior de estos contenedores. Mejorar los motores de los cohetes ha sido algo no planeado, pero bienvenido sea. ¡Nunca se sabe a donde nos llevará la investigación básica!