Los compresores de aire en el espacio son los héroes anónimos de todas las misiones. Pero somos grandes fans de los compresores de aire y del espacio, así que hemos pensado en compartir un poco sobre cómo las agencias espaciales como la NASA utilizan el aire comprimido en el espacio exterior.
Si quisieras volar a la Luna, probablemente pensarías mucho en combustible líquido en tanques gigantes y mucho, mucho empuje. Pero si te olvidas de añadir aire comprimido, no llegarás a ninguna parte con seguridad ni eficacia. Los compresores de aire en el espacio exterior mantienen vivos a todos nuestros astronautas desde el despegue del transbordador hasta la respiración adecuada durante todo su viaje y durante la reentrada.
Los compresores de aire de los motores espaciales desempeñan un papel importante en el futuro de los viajes porque permitirán que los sistemas sean más inteligentes, eficientes y ligeros. Aunque cada día se crean y adoptan nuevas tecnologías en el espacio, el aire comprimido sigue siendo una constante.
Bombas de calor: Usar compresores de aire en el espacio
El sistema de bomba de calor de la Estación Espacial Internacional utiliza actualmente compresores sin aceite, pero son "insensibles a la gravedad". Esto significa que los compresores son capaces de compensar problemas que normalmente habrían provocado que los materiales refrigerantes -como el aceite en algunos compresores- se acumularan o fluyeran en una dirección no estándar.
Los astronautas utilizan este aire comprimido en el espacio exterior para gestionar su suministro de aire, realizar experimentos, mantener los propulsores funcionando eficientemente para que los vehículos y las estaciones espaciales permanezcan en órbita y mantener una temperatura confortable para todos a bordo.
Por ejemplo, los fluidos que normalmente se mezclan y combinan con facilidad aquí en la Tierra en realidad se rompen en gotas separadas de cada fluido, incluso cuando viajan juntos, cuando están en el espacio. Sin la gravedad de la Tierra, la separación de estos fluidos podría suponer un riesgo y provocar averías en una bomba de calor tradicional o en compresores de aire dependientes de líquidos en el espacio.
Los avances en la tecnología de bombas de calor han dado lugar a unidades de bajo consumo y gran eficacia, lo que las hace perfectas para diversos sistemas de transbordadores y estaciones espaciales.
Los compresores que funcionan con aire y vapores se están adoptando porque ofrecen una larga vida útil y un uso fiable durante muchos años, sobre todo si se comparan con las bombas de calor que necesitan un líquido para refrigerarse. Los sistemas basados en líquidos ya tienen problemas como la cavitación, pero plantean aún más riesgos en el espacio porque funcionan de forma diferente.
La NASA propulsa cohetes con aire comprimido
El aire comprimido desempeña un papel importante para que los transbordadores de la NASA alcancen la velocidad de escape, que comienza a 25.000 mph o unas 7 millas por segundo.
Los motores de turbina propulsan la inmensa mayoría de los aviones militares y del sector privado que surcan hoy los cielos. Cada turbina depende de un compresor de aire que aumenta la presión del aire antes de que entre en una cámara de combustión. Cuanto mejor funcione el compresor de aire, mejor será el rendimiento del motor, especialmente en el punto de combustión del combustible, según la NASA.
En estos compresores de aire para cohetes se utilizan compresores centrífugos como bombas. Muchos motores, desde los turborreactores y turbofanes hasta los postquemadores, utilizan aire comprimido para ayudar a encender su fuente de combustible. Al pasarlo a través de una tobera, el aire comprimido puede llegar a las fuentes de combustible incluso en situaciones de gran tensión, como el despegue de un cohete.
Motores cohete y aire comprimido
Una de las formas que tiene la NASA de propulsar cohetes con aire comprimido es almacenando una cantidad importante de oxígeno comprimido y oxígeno líquido. Bombas y válvulas utilizan aire comprimido para empujar ambos líquidos comprimidos hacia la cámara de combustión, creando una ráfaga caliente de gases de escape que sirve para propulsar el cohete.
Esencialmente, un compresor de aire es el componente oculto que garantiza que el combustible se mezcle a la velocidad adecuada y se desplace correctamente hasta la cámara de combustión para que el motor cohete proporcione el empuje necesario para entrar en el espacio exterior.
Motores del transbordador de la NASA
Los transbordadores espaciales de la NASA utilizan un trío de motores principales junto con un cohete propulsor sólido para generar la sustentación necesaria para llevar el transbordador espacial y otros vehículos al espacio exterior. Los motores principales del transbordador espacial arden durante el despegue y pueden funcionar hasta 8,5 minutos después del lanzamiento, que es la duración típica del vuelo propulsado del transbordador espacial.
Todos los motores de los transbordadores necesitan potentes compresores de aire -compresores centrífugos- para aportar aire comprimido al combustible líquido con fines de encendido y aceleración controlada.
Cuando el transbordador despega, acelera quemando hidrógeno líquido, que se almacena a menos 423 grados Fahrenheit (menos 252,8 grados Celsius), así como oxígeno líquido. Para que esta operación funcione sin problemas se necesitan compresores de aire. El gigantesco tanque naranja que todos reconocemos contiene aproximadamente 500.000 galones de estos líquidos.
Las temperaturas en la cámara de combustión del motor principal se elevarán a más de 6.000 grados Fahrenheit (3.315,6 grados Celsius).
Cada 25 segundos, el transbordador quema tanto combustible líquido como para llenar una piscina. Durante esta aceleración, las turbinas giran unas 13 veces más rápido que las de su coche cuando va por la autopista. Eso significa que los compresores centrífugos tienen que trabajar horas extras para que todo funcione correctamente.
Es un gran trabajo, y la forma en que la NASA propulsa los cohetes con aire comprimido tiene que ver tanto con el despegue como con el mantenimiento de la vida una vez en el espacio exterior. También trataremos las aplicaciones prácticas de la vida gracias al uso de aire comprimido en el espacio exterior.
Compresores centrífugos
Los compresores centrífugos se utilizan en muchas aplicaciones industriales, incluida la aeroespacial, porque tienen menos piezas que entren en contacto entre sí y, al mismo tiempo, ofrecen una alta eficiencia energética y un caudal de aire significativamente mayor en comparación con otros compresores del mismo tamaño.
Ese requisito de tamaño es ideal para los vuelos espaciales y otras aplicaciones del espacio exterior, porque cada kilo y cada centímetro pueden ser una carga o una bendición significativa.
Los compresores centrífugos funcionan aspirando aire hacia el centro a través de un impulsor giratorio. Las palas radiales giran y hacen entrar el aire utilizando la fuerza centrífuga, elevando la presión y generando energía cinética. El aire cinético generado durante este movimiento puede utilizarse para mejorar aún más la compresión del aire.
Normalmente, este tipo de compresores de aire funcionan con motores eléctricos de altísima velocidad que accionan los impulsores. La buena noticia para la NASA es que este tipo de compresor no necesitará mucho espacio ni un sistema de lubricación a base de aceite. La doble ventaja es que la NASA no tiene que planificar el funcionamiento del aceite en un entorno en el que podría estar superenfriado o calentado, además de tener la garantía de un aire 100% libre de aceite.
SABRE: La próxima evolución del uso de aire comprimido en el espacio exterior
En el espacio, los compresores de aire suelen funcionar en sistemas de propulsión tradicionales que mueven cohetes o componentes internos de transbordadores y estaciones espaciales. Sin embargo, están a punto de desempeñar un papel mucho más importante en el futuro de los vuelos espaciales ahora que el concepto de motor SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) ha superado la prueba de viabilidad de las Fuerzas Aéreas estadounidenses.
El avión espacial reutilizable Skylon de Reaction Engines utiliza un motor SABRE para mejorar su propulsión, ya que funciona como un scramjet. Esencialmente, esto significa que reducirá la carga de propulsante gracias a su capacidad para funcionar como un reactor tradicional en la atmósfera y luego utilizar la propulsión de un cohete en el vuelo espacial.
La doble funcionalidad significa que el motor no necesitará transportar tanto oxígeno comprimido, que se utiliza para quemar su combustible de hidrógeno líquido.
Los sistemas SABRE son extremadamente complicados y dependen del aire comprimido para múltiples funciones. Por ejemplo, el aire debe enfriarse considerablemente antes de entrar en la unidad SABRE. En este caso, estamos hablando de enfriar de 1.000 °C (1.832 °F) a menos 150 °C (menos 302 °F) en una centésima de segundo. Los intercambiadores de calor industriales pueden hacer esto, pero también pueden ser del tamaño de un autobús. La unidad SABRE necesita algo pequeño y ligero que pueda transportar fácilmente.
Una vez enfriado, los compresores de aire del espacio exterior introducirían el aire comprimido directamente en la cámara de combustión del motor para encender el hidrógeno líquido almacenado. Se genera una alta presión que proporciona al motor un empuje considerable para alcanzar velocidades y altitudes extremadamente elevadas.
Los compresores de aire que son capaces de enfriar el aire pueden fabricarse con materiales extremadamente ligeros pero duraderos, lo que es necesario para cualquier cosa que se dirija al espacio exterior.
Respirar en el espacio
Respirar en el espacio, ya sea en la estación espacial o en un vehículo como un transbordador, requiere aire comprimido de distintos tipos y composiciones.
La atmósfera terrestre está compuesta por un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y un 1% de otros gases, a una presión de una atmósfera, lo que equivale a unas 14 lbs/pulg2.
Los vehículos espaciales transportan oxígeno líquido y nitrógeno líquido en tanques presurizados que dependerán de un compresor de aire para ayudar a regularlos. Los compresores también pueden ayudar a mantener el flujo de estos gases fuera de sus tanques. Se combinan a la velocidad y presión adecuadas mediante un sistema interno de presurización de la cabina.
En órbita, un transbordador espacial sólo utilizará un único sistema de oxígeno-nitrógeno. Sin embargo, durante el despegue, se utilizarán ambos sistemas para ayudar a que todos y cada uno de los componentes a bordo funcionen al máximo.
El aire que circula por el transbordador espacial o la estación espacial tendrá algunos elementos que son comunes en los compresores de aire y las soluciones de aire industriales, especialmente los sistemas de limpieza de aire que a menudo vemos combinados con compresores utilizados cerca de aplicaciones de aguas residuales. Estos elementos incluyen:
- Intercambiadores de calor, habituales debido a las fluctuaciones extremas de temperatura en los vehículos espaciales. También son el principal elemento utilizado para extraer agua del aire, tras lo cual el aire se recircula y el agua pasa a un contenedor de residuos. En el espacio, al exhalar, hay vapor de agua que debe recogerse para no dañar los equipos.
- Botellas de dióxido de carbono que eliminan el dióxido de carbono del aire. Funcionan permitiendo que el aire interactúe con el hidróxido de litio. Los sistemas de compresión pueden utilizarse para hacer pasar el aire a través del hidróxido de litio en situaciones de emergencia en las que la calidad del aire sea preocupante o cuando determinadas partes del transbordador o de la estación se apaguen para ser reparadas.
- Filtros y botes de carbón vegetal que se utilizan para eliminar olores y partículas finas, así como para ayudar a limpiar los experimentos. Son especialmente importantes cuando se trabaja con sustancias químicas volátiles y si se desprenden gases.
¿Y ahora qué?
A finales de 2014, la NASA adoptó un nuevo tipo de bombona de aire y gas comprimido que proporcionará aire respirable a los astronautas de la Estación Espacial Internacional.
El nuevo sistema es un Sistema de Recarga de Nitrógeno/Oxígeno, o NORS, con tanques que ofrecen un uso intercambiable en toda la estación espacial. Los tanques y sus accesorios están diseñados para funcionar con la red de suministro de aire existente en la ISS, pero también pueden utilizarse en aplicaciones especiales e individuales si es necesario.
Inicialmente, los depósitos NORS se utilizarán para sustituir y rellenar el aire existente. Al trabajar con un compresor de aire de primera categoría, estos nuevos tanques pueden almacenar aire presurizado hasta 6.000 libras, lo que supone más del doble de carga que el anterior conjunto de tanques. Eso significa que hay mucho más aire disponible en cada tanque, lo que reduce el número de veces que los transbordadores tendrán que llevar aire para reabastecer la ISS.
Una cosa sorprendente sobre cómo la NASA está utilizando el aire comprimido en el espacio exterior es que estos tanques se calientan extremadamente cuando se llenan en la Instalación de Procesamiento de la Estación Espacial en el Centro Espacial Kennedy en Florida. Están tan calientes que hay que dejarlos sobre un soporte durante un día entero para que se enfríen tras la presurización.
"Realmente no hay ningún otro lugar en el mundo que funcione hasta 10.000 libras por pulgada cuadrada como éste en un entorno operativo", afirma Steve Bigos, líder del proyecto NORS en el Centro Espacial Kennedy.
Los compresores de aire en el espacio exterior empezaron a menudo con unidades de aire individuales y propulsión de cohetes, pero estos nuevos tanques ayudan a la NASA y otras agencias espaciales a expandirse hacia nuevos métodos. Los nuevos tanques se utilizarán en el sistema de refrigeración basado en amoníaco de la ISS, así como en diversos experimentos y sistemas de reparación.
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