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sábado, 15 junio 2024

Los motores scramjet, el grafeno aeronáutico

Ciencia y tecnologíaLos motores scramjet, el grafeno aeronáutico

Ahora, antes de que te preguntes qué diablos es un scramjet, déjame sumergirte en este fascinante mundo.

Primero, para entender un scramjet, tienes que saber qué es un motor a reacción. Imagínate un tubo gigante donde aire entra por un extremo, se comprime, se mezcla con combustible, se provoca una chispa y ¡boom! sale disparado por el otro extremo. Eso, en esencia, es un motor a reacción puro. Sin embargo, los aviones comerciales actuales están equipados con motores que utilizan turbinas o hélices para comprimir el aire dentro del propio motor, son los famosos turbohélices o turbopropulsores.

Ahora, ¿qué hace que un scramjet sea especial? Bueno, scramjet significa “Supersonic Combustion Ramjet”, y la palabra clave aquí es “supersónico”. Esto significa que estos motores funcionan eficientemente a velocidades supersónicas, es decir, más rápidas que la velocidad del sonido. Y aquí es donde las cosas se ponen realmente interesantes.

En un motor de jet tradicional, el aire que entra se desacelera a velocidades subsónicas antes de la combustión. Pero en un scramjet, el aire fluye a través del motor a velocidades supersónicas durante todo el proceso. Esto elimina la necesidad de partes móviles como turbinas y compresores. Menos partes móviles significa menos complicaciones, ¿verdad? Bueno, en teoría, al menos.

El diseño de un scramjet es elegante en su simplicidad. Sin partes móviles, básicamente es un tubo con una entrada para el aire (llamada toma de aire), un lugar para mezclar y quemar combustible, y una boquilla para expulsar los gases calientes. El combustible suele ser hidrógeno, por su alta eficiencia energética y porque se quema limpiamente. Sin embargo, no creas que es fácil manejar hidrógeno a esas velocidades.

Una de las partes más fascinantes de un scramjet es la toma de aire. Tiene que ser capaz de manejar flujos de aire a velocidades increíblemente altas, comprimiéndolo eficientemente antes de que llegue a la cámara de combustión. Y esta compresión debe hacerse sin partes móviles, sólo mediante la forma y estructura del conducto. Aquí es donde la aerodinámica juega un papel crucial.

La cámara de combustión de un scramjet es otro aspecto que me parece increíble. Aquí es donde el aire comprimido se mezcla con el combustible. Pero recuerda, estamos hablando de velocidades supersónicas. Mezclar eficientemente el combustible y el aire a estas velocidades es un desafío monumental. Imagínate tratar de mezclar dos líquidos vertiéndolos uno sobre el otro mientras ambos se mueven a más de 1,000 metros por segundo. Sí, no es tarea fácil.

Finalmente, la boquilla. Es la parte del motor donde los gases calientes de la combustión se expanden y salen disparados, proporcionando el empuje que impulsa el vehículo hacia adelante. El diseño de esta boquilla es crucial para maximizar la eficiencia del motor y convertir tanta energía térmica en empuje como sea posible.

En resumen, los scramjets deberían ser una ingeniosa combinación de física y diseño. Utilizan la velocidad del vehículo para comprimir el aire, eliminando la necesidad de partes móviles complejas. Esto los hace ideales para aplicaciones donde la velocidad y la eficiencia son críticas, como en vehículos hipersónicos o en algunas etapas de cohetes espaciales.

¿Y por qué no copan el mercado?

A pesar de todo su potencial, en 2023 todavía no los vemos en el mercado. Las dificultades prácticas han frenado el desarrollo y la implementación de los motores scramjet.

Estos motores están diseñados para operar a velocidades supersónicas, superiores a la velocidad del sonido. Suena genial, ¿verdad? Pero aquí es donde las cosas se complican. Además de las dificultas técnicas inherentes al diseño de las que te hablaba arriba, estos motores no están en el mercado por un cúmulo de problemas que los ingenieros no logran solucionar.

1. Dificultades en la prueba y desarrollo
Probar estos motores es otro gran desafío. No puedes simplemente arrancar un scramjet en un laboratorio. Necesitas condiciones específicas, como velocidades extremadamente altas, que solo se pueden alcanzar en vuelo o en costosas instalaciones de prueba capaces de hacer circular grandes cantidades de aire a mach 5 o más. Además,  estas velocidades, cualquier pequeño error o fallo puede tener consecuencias catastróficas y hay que aumentar las medidas de seguridad exponencialmente. Esto significa que cada prueba es un enorme despliegue de recursos y, por supuesto, de dinero.

2. La Barrera de la integración
Incluso si superas los desafíos de diseño y prueba, integrar un scramjet en un vehículo utilizable es otra historia. Estos motores son eficientes solo a altas velocidades, lo que significa que necesitas otro tipo de motor para llegar hasta esas velocidades. Esto complica el diseño del vehículo, aumenta el peso y añade complejidad al proceso.

3. Costos astronómicos
Hablando de dinero, el costo de desarrollar y fabricar scramjets es, sin exagerar, astronómico. Estamos hablando de tecnología de punta, materiales exóticos, pruebas extensas y mucho, mucho I+D. No es algo que puedas producir en masa a un precio razonable, al menos no con la tecnología actual.

Todos los intentos hasta la fecha han fracasado por una combinación de todos estos factores. Cada uno de estos desafíos es significativo por sí mismo, pero juntos, forman una barrera casi insuperable con la tecnología y los recursos actuales.

Pero ¿y si sí?

Y si superas todos estos obstáculos, ¿dónde los usas? Los scramjets son ideales para ciertos tipos de vehículos hipersónicos o aplicaciones espaciales, pero no son prácticos para la mayoría de las aplicaciones comerciales o de transporte. Su nicho es muy específico, lo que limita su mercado.

Para empezar, imaginemos un mundo donde los viajes aéreos de larga distancia se reducen drásticamente en tiempo. Actualmente, un vuelo de Nueva York a Sídney puede tardar unas 20 horas. Con la tecnología scramjet, podríamos estar hablando de un par de horas, como máximo. Los viajes de negocios y las vacaciones se transformarían completamente y los vuelos de larga distancia dejarían de ser vuelos de larga duración.

Además, los scramjets podrían tener un impacto significativo en la investigación y exploración espacial. Actualmente, poner satélites en órbita es una operación costosa y complicada. Los scramjets podrían ofrecer un método más eficiente y económico para lanzar satélites y, quizás, incluso para transportar personas al espacio. Esto podría abrir la puerta a un turismo espacial más accesible y a misiones espaciales más frecuentes y menos costosas.

En definitiva, los scramjets son una maravilla de la ingeniería, combinando velocidad, simplicidad y potencia de una manera que casi parece sacada de la ciencia ficción pero hasta ahora no han conseguido resultados prácticos ni hay nada a la vista que permita suponer que los vamos a ver en funcionamiento en los próximos años, lo mismo que ese material revolucionario que iba a cambiar nuestras vidas, el grafeno, del que pasados los años de euforia ahora se escucha muy poco.

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