En la década de 1990, la NASA diseñó un avión espacial experimental que pretendía ser una alternativa rentable a los costosos cohetes.
Llamado X-33, se basaba en un concepto llamado SSTO (etapa unica a órbita, por sus siglas en inglés), que prescinde de las etapas de cohetes de los vuelos espaciales convencionales (en las que los cohetes contienen motores y combustible y se dejan caer durante el ascenso para reducir el peso) y favorece una nave espacial única totalmente reutilizable.
Sin embargo, el programa fue cancelado en 2001 debido a dificultades técnicas, y terminó en una lista junto a otros proyectos similares que no se han materializado.
“Yo dirigí el programa X-33, y decidimos salirnos de él porque nuestra evaluación fue que iba a costar más de lo que esperábamos y estábamos justo al borde de la capacidad tecnológica para realmente llevarlo a cabo”, dijo Livingston Holder, ingeniero aeroespacial, exastronauta de la USAF y gerente del programa X-33, y ahora director de tecnología de Radian Aerospace, una empresa con sede en Seattle que cofundó en 2016 para revivir el sueño del SSTO
“Las cosas han cambiado drásticamente desde el X-33: tenemos materiales compuestos que son más ligeros, más resistentes y pueden soportar un rango térmico mayor que los que teníamos en ese entonces. Y la propulsión es mejor que cualquier otra cosa que hayamos tenido, en términos de la eficiencia con la que se quema el combustible y el peso de los sistemas”, afirmó.
El producto de esta tecnología actualizada es el Radian One, un nuevo avión espacial que reemplazará el lanzamiento vertical con un sistema muy inusual: una aeronave propulsada por cohetes
Etapas de derroche
Para poder escapar de la gravedad de la Tierra y alcanzar la órbita, un cohete necesita alcanzar una velocidad de aproximadamente 28.000 kilómetros por hora, según Jeffrey Hoffman, profesor de aeronáutica y astronáutica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y exastronauta de la NASA que ha volado cinco misiones del transbordador espacial. “El problema es que, a medida que se asciende, no solo hay que levantar el cohete y la carga útil, sino que también hay que levantar todo el combustible que lleva”, afirmó.
Un cohete capaz de alcanzar esa velocidad tendría que dedicar el 95% de su masa al combustible, dijo Hoffman, y dejaría muy poco espacio para todo lo demás. “Sería un sueño poder llegar a la órbita con una sola etapa”, añadió. “Pero para lograrlo, la estructura del cohete, los motores y la carga útil no pueden representar más del 5% de la masa total de todo el sistema. Y simplemente no sabemos cómo construir cosas así”.
Es por eso que todos los cohetes utilizados para alcanzar la órbita han sido de varias etapas, aunque los cohetes actuales como el Falcon 9 de SpaceX tienen menos etapas (dos) que los más antiguos, como el Saturno V de la misión lunar Apolo, que tenía tres.
“Una vez que se agota todo el combustible de la primera etapa, en lugar de llevar esa estructura consigo hasta la órbita, simplemente se la deja caer. Y eso permite llevar mucha más carga útil para una masa determinada en la plataforma de lanzamiento”, explicó Hoffman.
Tradicionalmente, las etapas gastadas de los cohetes caen a la Tierra (normalmente en el océano), se queman en la atmósfera o acaban en órbita como basura espacial. SpaceX ha cambiado ese paradigma al diseñar cohetes propulsores reutilizables que pueden aterrizar de forma autónoma en la Tierra. La premisa de un vehículo espacial de una sola etapa es prescindir por completo de las etapas del cohete, con la promesa de reducir aún más los costos.
No es fácil sortear lo que Hoffman llama la “tiranía de la ecuación del cohete”, o resolver el problema de tener que llevar el peso del combustible al espacio. La solución de Radian es una aeronave propulsada por cohete que corre a lo largo de un raíl de 3 kilómetros y acelera hasta Mach 0,7 (864 kilómetros por hora) antes de soltar el avión espacial, que luego vuela hacia la órbita con la potencia de sus propios motores.
“Hubo varios intentos de desarrollar vehículos de una sola etapa para orbitar”, señaló Hoffman. “La NASA y la Fuerza Aérea lo intentaron a finales de los años 1980 y 1990. Intentaron solucionar el problema con lo que llaman un motor estatorreactor, que llevaría al avión a través de la atmósfera y quemaría oxígeno de allí en lugar de tener que llevarlo consigo. Es una gran idea, pero técnicamente es muy difícil construir ese tipo de motor”.
“Lo que Radian está haciendo con su aeronave cohete es una especie de equivalente al estatorreactor”, explicó Hoffman. “En otras palabras, se trata de intentar conseguir la aceleración inicial sin quemar el propulsor del cohete. De esa manera, se superan algunas de las limitaciones de la ecuación del cohete”.
Camioneta espacial
Radian está convencido de que puede superar los obstáculos para un SSTO exitoso gracias a tres tecnologías clave.
La primera es el sistema de lanzamiento de la aeronave, que utiliza su combustible no solo para alimentar sus tres motores, sino también los del propio avión espacial, lo que deja el tanque de combustible del avión lleno justo antes del despegue. La segunda es el tren de aterrizaje, que está diseñado solo para aterrizar y no para despegar, lo que lo hace significativamente más liviano. Y la tercera son las alas, que no están presentes en un cohete vertical pero reducen la cantidad de empuje que necesita el sistema al proporcionar sustentación cuando vuela hacia la órbita.
“Una vez que lleguemos a la órbita, la analogía más cercana probablemente sea el transbordador espacial”, dijo Holder. “Tenemos una bahía más pequeña, pero podemos realizar muchos de los mismos tipos de misiones. Y cuando volvamos a casa, tendremos una superficie exterior más robusta, y eso nos permitirá reutilizar el sistema una y otra vez con menores requisitos de inspección y tiempos de respuesta más rápidos”.
Radian afirmó que su avión espacial podrá reutilizarse hasta 100 veces y transportará una tripulación de dos a cinco astronautas con un tiempo de respuesta de 48 horas entre misiones. Este año se probará un modelo a escala del avión, según Holder, y una versión a escala real comenzará las pruebas de vuelo (sin llegar a la órbita) en 2028
Al igual que el transbordador, el Radian One podría desplegar cargas útiles como satélites en órbita o realizar misiones utilizando equipos ubicados en la bahía, como observaciones de la Tierra, vigilancia e inteligencia para entidades militares o de defensa. Pero, agregó Holder, el avión también podría ayudar con la ayuda humanitaria en áreas de desastre cuando las pistas, por ejemplo, se han vuelto inutilizables, al dejar caer la carga útil fuera de la bahía en un reingreso controlado a través de la atmósfera.
Trazó una analogía con una obra en construcción, donde los cohetes son los camiones de 18 ruedas que llegan con equipos grandes y el Radian One es la camioneta que lleva materiales más pequeños junto a la tripulación. “Creo que siempre habrá un lugar para los cohetes de lanzamiento vertical”, añadió. “Van a llevar las cosas realmente pesadas hacia arriba”.
Es consciente del escepticismo que suscitará otro intento de SSTO. El último proyecto de alto perfil que perdió fuerza fue el británico Skylon, un avión espacial propulsado por hidrógeno que despegaría desde una pista reforzada y aterrizaría de nuevo en la Tierra. La empresa que está detrás del proyecto dijo el año pasado que en este momento es más probable un sistema de dos etapas en órbita.
"No critico a la gente que se rasca la cabeza y se pregunta si la puesta en órbita de una sola etapa es viable", dijo Holder. "Me llevó casi un año entero en este programa convencerme de nuevo de que lo es. Solo hay que poder comparar la tecnología actual con la del pasado para ver si es viable o no".
La gran pregunta, según Hoffman, no es solo si el SSTO puede ser técnicamente alcanzable, sino si puede hacerse a un costo que sea económicamente competitivo con otros sistemas de lanzamiento, como la nueva nave espacial de SpaceX, que puede transportar cientos de pequeñas cargas útiles en un lanzamiento y hacerlo de forma relativamente barata. “Esa ha sido siempre la razón por la que se ha apostado por el sueño de una sola etapa para orbitar: en principio, debería ser menos costoso”, dijo.
"Espero que tengan éxito", añadió Hoffman. "Porque definitivamente sería una novedad, técnicamente hablando, y veremos qué pasa con los aspectos económicos. Nunca se sabe hasta que demuestren la capacidad y vean quién se apunta para utilizarlo".
