El ganador del concurso de becas universitarias SAM de 1.000 dólares de 2019
El Concurso de Becas Universitarias Stanford Advanced Materials $1,000 de 2019 finalizó el mes pasado con un número récord de presentaciones de estudiantes. Enhorabuena al ganador:
Charles Boyle
Universidad de Texas en Austin
Se pidió a los participantes que escribieran un ensayo para compartir su experiencia con materiales avanzados en la vida y hablar sobre qué impacto tendrá en el futuro.
Recibimos más de 200 propuestas de estudiantes de EE.UU. y Charles fue el ganador. Se llevó a casa 1.000 dólares por compartir su genial experiencia y sus reflexivas ideas sobre los metales refractarios en el ensayo, que hemos publicado aquí con su permiso:
Charles Boyle
A principios de 2018, comencé lo que pronto se convertiría en la experiencia más genial de mi vida: una pasantía de primavera en el Laboratorio de Propulsión Verde del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. Durante esta pasantía, participé en dos proyectos principales: el diseño y la fabricación del primer sistema de carga monopropelente "verde" de baja toxicidad de la NASA para el abastecimiento de combustible de naves espaciales, así como el diseño de un módulo de presurización CubeSat optimizado para la interfaz de propulsores verdes. Estas dos experiencias me han permitido conocer en profundidad las ventajas de los sistemas de propulsión ecológicos frente a los actuales sistemas monopropulsores de hidracina, así como los problemas que frenan el uso generalizado de propulsores ecológicos en misiones espaciales.
Gracias a mi experiencia en la NASA, descubrí que uno de los principales problemas de los propulsores ecológicos, si no el principal, son las temperaturas que requieren para una combustión adecuada. Los materiales comunes que se utilizan ampliamente en los ensamblajes de las cámaras de combustión no pueden soportar las temperaturas excesivamente altas asociadas a la descomposición térmica de los propulsores verdes. A pesar de las ventajas de los propulsores ecológicos con respecto a los monopropulsores tradicionales (menor toxicidad, mayor densidad de impulso, manejo más sencillo), si los materiales comunes no pueden resistir las altas temperaturas y/o el entorno de combustión oxidativa asociados a los propulsores ecológicos, estos sistemas de propulsión se vuelven imposibles.
Aquí es donde entran en juego los metales refractarios. El futuro de la propulsión ecológica pasa por el avance de las técnicas de fabricación de metales refractarios (MR). Los metales refractarios como el iridio y el renio son de suma importancia para el diseño de un propulsor verde, ya que son algunos de los pocos materiales que pueden soportar las temperaturas asociadas a la descomposición térmica sostenida del propulsor verde. Sin embargo, sus métodos de fabricación puntuales y costosos han limitado el uso de sistemas de propulsión verdes a unas pocas misiones selectas. Además, el uso actual de metales refractarios en sistemas de propulsión verdes se limita, en su mayor parte, a la fabricación sustractiva. Las técnicas de fabricación aditiva asociadas a los metales refractarios, como la impresión de boquillas de renio en un lecho de impresión DMLS, están relativamente inexploradas. Por tanto, el desarrollo de técnicas de fabricación sustractiva de MR más baratas, así como de técnicas fiables de fabricación aditiva de MR, podría cambiar por completo el campo de los sistemas de propulsión de satélites. Estas capacidades de fabricación de MR permitirían que los sistemas monopropulsores ecológicos sustituyeran por completo a los actuales sistemas monopropulsores, como los propulsores de hidracina, lo que a su vez reduciría drásticamente la toxicidad media de los sistemas de propulsión monopropulsores y aumentaría significativamente su densidad de impulso.
¿Por qué es importante? A pesar de ser una cuestión técnica muy específica dentro de las ciencias de la propulsión, los metales refractarios tendrán un gran impacto en el sector aeroespacial una vez que sus técnicas de fabricación asociadas sean más eficientes. La principal ventaja que ofrecen los propulsantes ecológicos es una mayor densidad de impulso, o dicho de otro modo, el mayor impulso que los propulsantes pueden proporcionar a una nave espacial por unidad de volumen de propulsante. No se trata de un pequeño detalle técnico. Una mayor densidad de impulso podría marcar la diferencia entre la aceptación o el rechazo de una misión innovadora en su fase de diseño. En otras palabras, disponer de un excedente de densidad de impulso podría ser, de forma muy realista, el factor final que permitiera a una misión seguir adelante y, finalmente, llevar lo que antes era ciencia ficción a convertirse en realidad.
Por ejemplo, la misión que se considera la empresa astronáutica más crítica de la próxima década es una misión de retorno de muestras de Marte (MSR). El área de la misión que requiere la ingeniería más avanzada es el Vehículo de Ascenso a Marte (MAV). El MAV es la nave espacial que elevará la muestra de la superficie marciana hasta la órbita marciana. Evidentemente, este tipo de lanzamiento nunca se ha realizado antes. La mayoría de los intentos de diseñar un MAV utilizan sistemas de propulsión sólidos, híbridos o monopropulsantes para llevar la carga útil a la órbita, y la arquitectura de propulsión MAV propuesta no suele ser capaz de proporcionar el impulso necesario para llevar la carga útil a la órbita marciana. Así es exactamente como el uso de metales refractarios podría propiciar el éxito de una de las misiones más importantes que la humanidad haya realizado jamás. El avance de las técnicas de fabricación de MR hasta el punto de poder utilizarlos en el diseño de un sistema de propulsión MAV "verde" y de alto rendimiento podría permitir el éxito de una misión MSR, acercando a los humanos un paso más a pisar la superficie marciana.
Al igual que los brillantes ingenieros aeroespaciales que me precedieron, quiero que el producto del trabajo de mi vida lance a seres humanos y robots más allá de la órbita terrestre, hacia cuerpos celestes vírgenes. Para hacer posible este sueño, la humanidad necesita primero crear sistemas de propulsión de nueva generación asequibles y fiables. Los metales refractarios son el elemento clave que permitirá transformar los actuales sistemas monopropulsores de hidracina en sistemas de propulsión verdes más eficientes y fiables. Con el tiempo, estos sistemas de propulsión verdes revolucionarán el campo de la propulsión de satélites pequeños y permitirán alcanzar los elevados objetivos que la humanidad tiene para el futuro de la exploración espacial.
Referencia: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (s.f.). 2018 NASA Green Propulsion Technology Development Roadmap.
¡Gran trabajo, Charles! Mis mejores deseos para ti a lo largo de tu carrera universitaria y más allá.
