Desde que la humanidad soñó con alcanzar las estrellas, hemos ideado todo tipo de soluciones, algunas más realistas que otras, para salir de nuestro pequeño planeta. Si bien hoy en día tenemos cohetes que nos permiten llegar al espacio, este no fue un camino fácil. Vamos a explorar cómo llegamos hasta aquí, desde las primeras ideas hasta los avances más recientes en tecnología espacial.

Los primeros sueños de alcanzar el espacio

Aunque parece que la carrera espacial moderna comenzó en el siglo XX, ya en el siglo XIX hubo ideas muy adelantadas para la época. Un pionero fue el ingeniero peruano Pedro Paulet, quien a finales del siglo XIX propuso la idea de un “avión torpedo”, un concepto que muchos consideran uno de los primeros diseños de un cohete propulsado. Aunque su propuesta no llegó a realizarse en su época, fue una de las primeras ideas documentadas sobre cómo un cohete podría ser la clave para dejar la Tierra.

Más tarde, durante la Segunda Guerra Mundial, el ingeniero alemán Wernher von Braun desarrolló los cohetes V1 y V2. Estos fueron los primeros cohetes en alcanzar altitudes suborbitales, sentando las bases de la tecnología que, décadas más tarde, llevaría a los seres humanos al espacio. El V2, en particular, es considerado el primer cohete balístico de largo alcance y el antecesor de los cohetes espaciales modernos.

La ciencia detrás de los cohetes: la 3ª ley de Newton

Los cohetes funcionan basándose en un principio muy simple pero poderoso: la tercera ley de Newton, que dice que "a toda acción corresponde una reacción de igual magnitud y en sentido contrario". Esto significa que cuando el motor de un cohete expulsa gas caliente hacia abajo, el cohete recibe una fuerza en la dirección opuesta, hacia arriba.

Un error común es pensar que un cohete "empuja" contra algo para moverse, como lo haría un avión que empuja el aire con sus motores o un barco que empuja el agua. Pero en el vacío del espacio, donde no hay nada que empujar, los cohetes siguen funcionando gracias a la tercera ley de Newton. La clave es la velocidad a la que los gases de combustión salen del motor del cohete: cuanto más rápido se expulsa el gas, más empuje genera el cohete. Un ejemplo cotidiano de esto sería soltar un globo inflado: el aire sale disparado por un lado y el globo se mueve en la dirección opuesta.

La ecuación de Tsiolkovsky: el Delta-V

El físico ruso Konstantín Tsiolkovsky, uno de los padres de la cosmonáutica, desarrolló una ecuación que nos permite calcular la cantidad de velocidad que un cohete puede ganar en función de su masa y del tipo de combustible que utiliza. Esta ecuación, conocida como la ecuación del cohete de Tsiolkovsky, es fundamental para cualquier misión espacial:

$$\Delta v = v_e \ln \left( \frac{m_0}{m_f} \right)$$

Donde:

• Δv es el cambio en la velocidad o "delta-v".
• vₑ es la velocidad de escape de los gases de combustión.
• m₀ es la masa inicial del cohete (con combustible).
• mₓ es la masa final (sin combustible).

Esta ecuación nos dice que, para alcanzar mayores velocidades (y por tanto, altitudes más altas o diferentes órbitas), un cohete necesita una relación de masa favorable, es decir, mucho más combustible que peso estructural. Es por eso que los cohetes son en su mayoría enormes depósitos de combustible.

Impulso específico (Isp) y empuje: ¿cuál es la diferencia?

Es importante no confundir el impulso específico (Isp) con el empuje de un cohete. El Isp es una medida de la eficiencia del motor de un cohete y se define como la cantidad de empuje que genera por cada unidad de combustible que consume. Un motor con un Isp más alto es más eficiente porque utiliza el combustible de manera más efectiva. En cambio, el empuje es la fuerza total que el cohete genera.

Para ponerlo en contexto:

• El cohete RS-25 del Transbordador Espacial tenía un Isp de alrededor de 452 segundos en el vacío.
• El motor Raptor de SpaceX, que usa metano como combustible, tiene un Isp de 330 segundos a nivel del mar y de 356 segundos en el vacío.

Mientras que el Raptor no es tan eficiente como el RS-25, compensa esa falta con una gran capacidad de empuje, lo que lo convierte en una excelente opción para misiones de gran carga, como las de SpaceX.

Tipos de cohetes: sólidos, líquidos y los híbridos

Cohetes de combustible sólido

Estos son los cohetes más simples. El combustible y el oxidante están mezclados en un sólido, lo que hace que estos cohetes sean extremadamente confiables. Se usan comúnmente en lanzamientos pequeños o como impulsores adicionales en cohetes más grandes, como los boosters del Transbordador Espacial. Sin embargo, su gran desventaja es que no se pueden apagar una vez encendidos.

Cohetes de combustible líquido

Los cohetes de combustible líquido son más complejos pero también más eficientes. Utilizan un combustible y un oxidante líquidos, que se almacenan en tanques separados y se bombean a una cámara de combustión donde se mezclan y se queman. Aquí es donde las cosas se ponen complicadas: el combustible debe ser bombeado a la cámara a presiones muy altas para evitar lo que se llama "retroceso" o flashback, que es cuando la combustión vuelve hacia los tanques.

Para bombear el combustible, se usa un sistema de generador de gas, que mueve una turbina y esta, a su vez, mueve la bomba que lleva el combustible a la cámara. Los cohetes pueden tener ciclos abiertos (donde parte de los gases del generador de gas se expulsa) o ciclos cerrados (donde todos los gases se reutilizan). Los motores de SpaceX, como el Raptor, usan un ciclo cerrado para maximizar la eficiencia sin desperdiciar combustible.

Cohetes híbridos

Finalmente, están los cohetes híbridos, que combinan características de los motores sólidos y líquidos. Utilizan un combustible sólido y un oxidante líquido. Este tipo de cohetes es más seguro que los líquidos (menos riesgo de explosión) y más flexible que los sólidos (pueden apagarse y encenderse). Son utilizados por empresas como Virgin Galactic en su SpaceShipTwo.

Los problemas de los cohetes: ¿por qué no hay cohetes en todos lados?

Aunque la tecnología de los cohetes ha avanzado enormemente desde sus inicios, todavía enfrentan varios problemas que limitan su uso extendido y cotidiano.

1. El problema de los misiles

Los cohetes modernos se basan en tecnologías que fueron desarrolladas originalmente para misiles, específicamente el V2 de Wernher von Braun. Esta herencia ha hecho que los cohetes sean vistos como una tecnología militar, lo que limita la colaboración científica abierta entre países. A diferencia de otras tecnologías como los automóviles o los aviones, donde la información se comparte ampliamente entre países y empresas, el desarrollo de cohetes está restringido debido a las implicaciones de armamentismo.

Cada país que quiere desarrollar un cohete debe comenzar casi desde cero, lo que encarece y ralentiza el progreso. Además, los acuerdos internacionales para limitar la proliferación de misiles balísticos han restringido en gran medida la exportación de tecnologías clave para la construcción de cohetes.

2. Romper la inercia del reposo y la atmósfera

Enviar un cohete al espacio requiere una cantidad enorme de combustible. De hecho, la mayoría del combustible de un cohete se gasta simplemente en romper la inercia del reposo y vencer la resistencia atmosférica. En las primeras etapas del lanzamiento, el cohete debe luchar contra la gravedad y el arrastre del aire, lo que implica quemar grandes cantidades de combustible para ganar velocidad.

Una vez fuera de la atmósfera, las cosas se vuelven un poco más fáciles, pero incluso en el espacio, se necesita mucho combustible para realizar maniobras orbitales y alcanzar velocidades que permitan entrar en órbita. Es por eso que, en un cohete típico, solo entre 2% y 4% del peso total corresponde a la carga útil (es decir, lo que realmente se quiere enviar al espacio, como satélites o tripulación). El resto del peso es principalmente combustible y la estructura del cohete.

3. Las etapas: ahorrar combustible

Para minimizar el peso y optimizar el uso del combustible, los cohetes se dividen en etapas. Cada etapa

contiene su propio motor y combustible, y se desprende una vez que ha sido utilizada. Esto permite que el cohete se vuelva más ligero a medida que sube, quemando menos combustible en las siguientes etapas. Este enfoque es fundamental para que los cohetes puedan alcanzar la órbita sin necesidad de llevar consigo todo el combustible desde el principio.

Un buen ejemplo es el Saturn V, que llevó a los astronautas a la Luna. Este cohete tenía tres etapas principales, y solo la tercera etapa fue la que finalmente impulsó la nave hacia la órbita lunar.

Maniobras orbitales: Alcanzando y ajustando la órbita

Para que un cohete alcance una órbita estable, no solo necesita velocidad. También debe ajustar su trayectoria una vez que ha alcanzado el espacio. Una maniobra común es la transferencia de Hohmann, que permite mover una nave de una órbita baja a una más alta utilizando la menor cantidad de energía posible. Esta técnica implica encender los motores en el momento justo para cambiar la velocidad del cohete de manera que su nueva trayectoria lo lleve a la órbita deseada.

Para alcanzar la órbita baja terrestre (LEO), un cohete necesita alcanzar una velocidad de aproximadamente 28,000 km/h. Para órbitas más altas, como la órbita geoestacionaria (GEO), la velocidad de escape es menor, pero la distancia es mayor. Cada tipo de misión, desde poner un satélite en LEO hasta enviar una sonda a Marte, requiere una planificación precisa de maniobras orbitales.