La versión 4.0 de la nave Starship de SpaceX

Por Daniel Marín

Parece que han pasado eones desde que Elon Musk presentase en sociedad su primer plan detallado para colonizar Marte con el ITS (Interplanetary Transpor System). Pero no, no han pasado eones. Solo hace tres años. Es verdad que antes de esa fecha Musk había dejado entrever su interés en Marte con el proyecto MCT (Mars Colonial Transporter), pero nunca se hizo una presentación pública del concepto. Desde entonces, se ha convertido en una tradición que cada septiembre el «profeta» Musk nos actualice el estado de su visión de la conquista del sistema solar. Y este año no ha sido menos. Pero la mayor novedad es que, por primera vez, Musk ha dado su charla con un prototipo real de la Starship como telón de fondo. Una prueba material de lo rápido que han avanzado las cosas en tan poco tiempo.

La Starship 4.0 rumbo a Saturno… porque puede (SpaceX).

La Starship de SpaceX es, sin lugar a dudas, el proyecto espacial que más entusiasmo, curiosidad e interés genera en estos momentos. La enorme nave no solo ha sido concebida como la segunda etapa del sistema de lanzamiento gigante totalmente reutilizable Starship/Superheavy, sino que además debe convertirse en el futuro en un vehículo espacial diseñado para llevar una numerosa tripulación a la Luna y Marte. El sistema Starship juega en otra categoría de la liga de la ambición. Simplemente no hay ninguna agencia espacial en el mundo que tenga planes remotamente similares. El sistema SLS/Orión de la NASA, mucho más tradicional, es tan diferente en cuanto a filosofía de diseño y construcción que uno no sabe por dónde empezar a compararlo (bueno, sí sabemos: el presupuesto destinado a cada uno de ellos es un buen comienzo).

La Starship Mark 1 en Boca Chica, Texas (SpaceX).

En cada iteración, el sistema de lanzamiento de SpaceX se ha ido haciendo más pequeño, pero también más probable. La convergencia con la realidad ha sido una dura curva de aprendizaje para la la empresa de Musk. El ITS de 2016 era un monstruo de 10500 toneladas al lanzamiento con una capacidad de colocar 300 toneladas en órbita baja. Un año más tarde el sistema cambió de nombre a BFR/BFS (Big Falcon/Fucking Rocket/Ship) y redujo su masa a las 4400 toneladas al lanzamiento, al mismo tiempo que su capacidad disminuyó a la mitad: tan solo 150 toneladas. En septiembre de 2018 el plan fue refinado una vez más. El sistema BFR/BFS de 2018 tenía 112 metros de longitud, 9 metros de diámetro y una capacidad para colocar entre 100 y 150 toneladas en órbita baja.

La Starship Mark 1 (SpaceX).

La nueva BFS, de 55 metros de longitud, usaba aletas aerodinámicas traseras y dos planos canard delanteros que le daban un curioso aspecto de nave sacada de un cómic pulp de los años 40. Estaría construida en fibra de carbono y usaría siete motores Raptor de metano y oxígeno líquido. En octubre de 2018, pocas semanas después de esta presentación, SpaceX volvió a cambiar radicalmente el diseño de la BFS, ahora denominada Starship. Ya no se construiría en fibra de carbono, sino en acero inoxidable, lo que requería un nuevo sistema de regulación de temperatura durante la reentrada atmosférica (el acero por si solo no sirve como escudo térmico porque es incapaz de aguantar las temperaturas de la reentrada). El nuevo sistema de lanzamiento tenía 118 metros de altura, 9 metros de diámetro y una masa al lanzamiento de 5000 toneladas. La primera etapa Superheavy debía tener más de 35 motores Raptor, mientras que la Starship, de 55 metros, usaría 7 motores Raptor.

Los tres motores Raptor (no definitivos) de la Starship Mark 1 (SpaceX).

Otra vista de los tres motores Raptor (SpaceX).

Y así llegamos a la presentación que Musk ha dado el 28 de septiembre a las 01:00 UTC. Quizás la principal novedad es que el diseño no ha cambiado significativamente con respecto al año pasado, un signo claro de que el sistema se está acercando a la fase de construcción final. La principal diferencia es que la Starship tiene ahora dos alas/superficies de control traseras en vez de tres. Este cambio facilita las maniobras hipersónicas en las atmósferas —la terrestre y la marciana— en tanto en cuanto la tercera aleta del diseño anterior solo servía como pata del tren de aterrizaje. Al mismo tiempo, se ha decidido separar el tren de aterrizaje de las superficies de control y ahora está formado por seis patas en vez de tres, lo que da una mayor estabilidad al sistema.

La Starship 4.0 (SpaceX).

Motores de la Starship (SpaceX).

La Starship 4.0 definitiva deberá tener una longitud de 50 metros y una masa en seco de 120 toneladas, con una capacidad para colocar 150 toneladas en órbita baja. Los prototipos Mark 1 y Mark 2 que se están construyendo en Boca Chica (Texas) y Florida tienen una masa en seco mayor que ronda las 200 toneladas, pero esta cifra se irá reduciendo con las siguientes iteraciones. La Starship empleará ahora seis motores Raptors —el año pasado eran siete—: tres optimizados para el vacío y tres «normales». Estos últimos serán además los encargados de ayudar a orientar el vehículo ya que serán capaces de moverse. Los prototipos Mark 1 y Mark 2 usarán solamente los tres Raptors de superficie para las pruebas suborbitales. En cuanto al Superheavy, no se han dado muchos detalles nuevos, pero Musk ha declarado que tendrá una longitud de 68 metros y usará 37 motores Raptor —en los últimos meses se había hablado de más de cuarenta unidades—, siete de los cuales serán usados para las maniobras de regreso a la rampa (boostback) y, por tanto, no estarán fijos. También empleará seis patas en el tren de aterrizaje.

Superheavy (SpaceX).

Comparativa de tamaños (SpaceX).

El volumen presurizado interno de la Starship se mantiene en unos increíbles mil metros cúbicos, por lo que sigue siendo posible una tripulación de decenas de personas. No obstante, en la presentación se volvió a pasar de puntillas sobre un posible sistema de escape para la Starship. Además, tampoco se ofrecieron detalles adicionales sobre el que probablemente es el punto más delicado del diseño actual: el escudo térmico. Como ya sabíamos, se usarán losetas térmicas de cerámica para las zonas que alcancen las mayores temperaturas y el resto del escudo estará formado por el propio fuselaje de acero inoxidable, ayudado de alguna forma en algunas zonas por el flujo de propelentes a baja temperatura. Por otro lado, se sigue manteniendo el esquema de acoplamiento trasero para trasvasar combustible entre la versión de carga de la Starship y la versión tripulada, una maniobra fundamental para viajar fuera de la órbita baja.

Una Starship entra en la atmósfera marciana (SpaceX).

El escudo térmico de la Starship (SpaceX).

El éxito del sistema de lanzamiento Starship/Superheavy gira alrededor de dos ejes fundamentales. El primero es el avanzado motor Raptor de ciclo cerrado —con un empuje de 1,7 a 2 meganewtons y una presión en la cámara de combustión de 250 atmósferas— que debe impulsar tanto el Superheavy como la Starship. El desarrollo de este motor ha resultado ser, lógicamente, más complejo de lo esperado. Y las prestaciones del Raptor influyen directamente en el diseño del sistema de lanzamiento. El segundo eje lo integran las técnicas de construcción. A diferencia de los elementos Falcon 9/Dragon/Crew Dragon, desarrollados en buena parte gracias al dinero de la NASA, Musk está solo en la aventura Starship. Dentro de unos años tiene la esperanza de que la constelación Starlink le dé suficientes beneficios como para financiar parcialmente este sistema, pero eso no es posible ahora. Por tanto, SpaceX sabe que debe innovar a la hora de construir el sistema Starship porque, sencillamente, no puede permitirse un sistema de construcción tradicional.

Dos Starship unidas para trasvasar combustible (SpaceX).

Detalle de la maniobra de trasvase de combustible (SpaceX).

Y así, desde diciembre de 2018 hemos asistido atónitos a un insólito espectáculo de construcción de vehículos al aire libre usando técnicas inusualmente toscas para la industria espacial. Primero fue el Starhopper, inicialmente presentado en Boca Chica como un prototipo a pequeña escala de la Starship con un solo motor y que pronto se evolucionó a un banco de pruebas móvil del indómito Raptor. El Starhopper ha sido sustituido por las Starship Mark 1 y Mark 2, dos prototipos construidos en Texas y Florida, respectivamente, a base de acero inoxidable con técnicas diferentes y menos rudas que las del Starhopper, aunque todavía a gran distancia de los métodos convencionales. Es importante destacar que hace un año prácticamente solo había una explanada desierta en Boca Chica. Desde entonces el Starhopper ha realizado dos saltos —de 18 y 150 metros de altura— y se ha construido la Starship Mark 1. La construcción de la Mark 1 apenas ha llevado cuatro meses. El progreso del programa no ha seguido los plazos optimistas de Musk, cierto, pero sin duda es muy notable. El Starhopper y las Mark 1 y Mark 2 han sido construidos de la forma más rápida y barata posible, al mismo tiempo que se han probado y descartado nuevas técnicas sobre la marcha.

El Starhopper durante su segundo y último salto (SpaceX).

En las próximas semanas la Mark 1, dotada con tres motores Raptor y superficies aerodinámicas de control, será lanzada desde Boca Chica hasta una altura de 20 kilómetros. Más adelante la Mark 2 despegará desde la rampa 39A del Centro Espacial Kennedy para llevar a cabo pruebas similares. Ambas naves deberán ensayar la delicada y angustiosa maniobra de aterrizaje, durante la cual la Starship debe pasar de una posición de caída libre horizontal a un descenso propulsado vertical a una altura inferior a los dos kilómetros. Musk ha declarado que se usará un sistema de propulsores alimentados por metano y oxígeno líquido para esta maniobra en vez del tradicional sistema a base de nitrógeno gaseoso con el que se orientan las primeras etapas del Falcon 9.

La Starship Mark 1 junto a la primera etapa del Falcon 1 (SpaceX).

Tras las Mark 1 y 2, en los próximos meses Musk planea comenzar a construir más naves en Boca Chica y Florida, además de dos prototipos de Superheavy. En cada una de las nuevas Starship se empleará una técnica de construcción más refinada que permitirá reducir el peso. Las futuras Mark 3 (Boca Chica) o Mark 4 (Florida), que serán más ligeras (alrededor de 150 toneladas, con el objetivo de llegar a las 120 toneladas en versiones más avanzadas), quizá podrían ser las primeras en intentar alcanzar la órbita a lomos de un Superheavy dentro de unos seis meses (siempre en tiempo de Musk). El objetivo es que Florida y Boca Chica «compitan» entre sí para ver quienes son los primeros en llegar a la órbita. La capacidad de construir suficientes motores Raptor para tantos vehículos en tan breve periodo de tiempo es ahora mismo uno de los cuellos de botella del programa (actualmente se tarda en fabricar un motor entre ocho y diez días, pero SpaceX quiere construir uno al día para comienzos de 2020). Las futuras misiones tripuladas quedan todavía lejos en el tiempo, pero despegarán tanto de Florida como desde Boca Chica. Para evitar los trastornos a los vecinos de esta última localidad texana —y, de paso, evitar las restricciones de seguridad de la FAA—, SpaceX quiere comprarles sus casas a todos los habitantes de la zona.

El sistema Starship/Superheavy despegando (SpaceX).

El Starship/Superheavy durante el lanzamiento (SpaceX).

Con respecto al reciente comunicado del administrador de la NASA Jim Bridenstine en el que pedía que SpaceX se centrase en el programa Crew Dragon, que acumula fuertes retrasos, en vez de «juguetear» con la Starship, Musk ha comentado que menos del 5% de los trabajadores de SpaceX se dedican en estos momentos al programa Starship. En cualquier caso, la parte más sorprendente de la presentación ha sido cuando Musk ha declarado que el Superheavy es capaz de realizar un máximo de veinte misiones al día, mientras que la Starship puede volar un máximo de tres o cuatro veces en el mismo periodo (!!). Esto significa que el sistema Starship/Superheavy tendrá una capacidad para colocar carga en órbita que, en teoría, será mil veces superior a la capacidad combinada del resto de los lanzadores espaciales del planeta Tierra.

La Starship 4.0 alunizando (SpaceX).

Cuando el número de lanzamientos sea muy elevado, el coste del combustible pasará a ser uno de los mayores gastos fijos del sistema. Por eso, a largo plazo Musk tiene intención de usar en Florida y Boca Chica el mismo proceso para fabricar metano y oxígeno líquido a partir del agua y el CO2 atmosférico que quiere emplear en Marte usando energía solar. En definitiva, la presentación de la Starship 4.0 nos muestra un sistema más maduro desde el punto de vista técnico y, por tanto, más cerca de la realidad. Pero antes de viajar más allá de la órbita baja hay que comprobar que el sistema en su conjunto es viable técnicamente, que no es una ruina desde el punto de vista económico, que el escudo térmico funciona, que la versión tripulada es suficientemente segura y que el sistema de trasvase de combustible en órbita funciona, entre otros muchos obstáculos. Dejando a un lado estos problemas, el caso es que Musk nos ha vuelto a dar otra dosis de ilusión espacial con la que podremos sobrevivir los próximos meses. El siguiente hito será el primer vuelo de la Mark 1.

Colonizando Marte (SpaceX).

Fuente:  danielmarin.naukas.com