El espacio parece más cercano que nunca

SpaceX continúa probando cohetes.

Por Cicely Enright

La compañía podría realizar un lanzamiento tripulado este año. El vuelo espacial comercial se acerca cada vez más a hacerse realidad. Más series de satélites continúan uniéndose a los miles que ya están en órbita. China aterrizó un vehículo explorador en el lado lejano (u “oscuro”) de la Luna. Además, la tripulación actual de seis miembros de la Estación Espacial Internacional incluye a dos astronautas que completaron una caminata espacial a fines de mayo mientras se escribía este artículo.

Están sucediendo muchas cosas en el espacio, y una parte esencial de los planes futuros son los estándares.

Impulso a una misión a la Luna

Uno de los planes más ambiciosos es la iniciativa de llevar humanos nuevamente a la Luna. La NASA está trabajando actualmente en la preparación del Sistema de Lanzamiento Espacial (Space Launch System, SLS), que llevará a la nueva nave Orión a la superficie lunar.

Stephen Peralta, gerente de proyectos en el Centro de pruebas White Sands de la NASA en Las Cruces, Nuevo México, EE. UU., es una de las personas que trabajan en la misión de llevar nuevamente el hombre a la Luna antes de dirigirse a Marte. También es miembro de ASTM International desde hace mucho tiempo y es vicepresidente del Comité sobre Compatibilidad y sensibilidad de materiales en ambientes enriquecidos con oxígeno (G04).

“Es fantástico”, dice, ser parte del proyecto. Peralta agrega, sobre su trabajo con sus colegas de White Sands: “en cualquier lugar donde se use oxígeno, seremos parte de eso”.

Peralta ha formado parte del grupo de pruebas de los cuatro motores RS-25 que impulsarán la etapa central del SLS. El RS-25 sirvió como motor principal del transbordador espacial. Y ahora, con modificaciones adicionales, los motores llevarán el cohete SLS al espacio. (Un motor separado en la etapa superior proporcionará el empuje adicional necesario).

Los combustibles de los motores serán hidrógeno líquido y oxígeno líquido. Este es el uso principal del oxígeno en la nave espacial, además de los sistemas de respiración de la cápsula de Orión.

¿Cómo se comportará esta combinación?

Esa es una pregunta simple pero crítica, que tiene respuestas complejas con estos gases volátiles que se utilizan debido a su eficiencia y potencia.

Para asegurar que todo vaya bien, los componentes de los sistemas de oxígeno y el conjunto general deben probarse de forma exhaustiva y rigurosa. Esto se debe a que un componente puede comportarse de manera diferente en forma aislada que cuando es parte de un sistema más grande, incluso cuando está hecho del mismo material. Por ejemplo, una válvula incluye piezas pequeñas, pero puede ser una pieza más grande en su totalidad. Aunque las piezas más grandes y voluminosas no se enciendan ni ardan fácilmente, podría ser diferente para las piezas pequeñas que están en el interior.

Este es el punto en el que confluyen el trabajo de la NASA y el trabajo del Comité G04.

Los miembros de ASTM comenzaron a investigar el tema de los ambientes enriquecidos con oxígeno a finales de la década de 1960 y a principios de la década de 1970 con una serie de conferencias de simulación espacial. El ingeniero Walter Downing, PE, es vicepresidente ejecutivo y director de operaciones del Instituto de Investigación del Sudoeste (Southwest Research Institute) de los EE. UU. Escribió, en Inflamabilidad y sensibilidad de los materiales en ambientes enriquecidos con oxígeno (Flammability and Sensitivity of Materials in Oxygen-Enriched Atmospheres), Volumen 14, que los asistentes al simposio son “muy conscientes de la tragedia del Apolo 1 porque es quizás el ejemplo más notable de un incendio fatal en un ambiente enriquecido con oxígeno y que, de hecho, llevó a la industria y al gobierno a establecer este comité en 1975”.

Hoy en día, los estándares del comité y la información técnica relacionada tienen un papel importante en las pruebas de la NASA que se están llevando a cabo. A medida que el motor RS-25 se actualiza para su nueva misión, la NASA está probando sus componentes y piezas, así como el motor en general, utilizando estándares que indicarán su inflamabilidad y sensibilidad a la ignición.

Un estándar esencial del comité ayuda a los ingenieros a comparar cómo se queman los diferentes materiales metálicos en relación con cada uno de los demás y a comprender los tipos de presiones a las que pueden usarse estos materiales metálicos antes de que estén a punto de sostener una combustión. Ese es el Método de prueba para determinar el comportamiento de combustión de los materiales metálicos en ambientes enriquecidos con oxígeno (G124).

Otro estándar que forma parte integral de las pruebas en curso es el Método para determinar la sensibilidad a la ignición de los materiales ante un impacto mecánico en entornos de oxígeno líquido a presión ambiente y de oxígeno líquido presurizado y oxígeno gaseoso presurizado (G86). Esta prueba permite a los ingenieros evaluar la sensibilidad de los materiales en caso de que sean sometidos a impactos mecánicos en un entorno de oxígeno a presión ambiente o presurizado.

El Comité G04 también proporciona información técnica relacionada a través de una serie de simposios y un manual. Peralta destaca el Manual 36, Uso seguro del oxígeno y sistemas de oxígeno: Manual para el diseño, operación y mantenimiento: 2.ª edición (Safe Use of Oxygen and Oxygen Systems: Handbook for Design, Operation, and Maintenance: 2nd Edition). Junto con otros en su área, utiliza esta información técnica publicada y patrocinada por el comité. “Es extremadamente valioso para nosotros”, dice Peralta. “Está en cada uno de nuestros escritorios porque es una fuente de datos muy práctica”.

Pruebas sin destrucción

La evaluación no destructiva (NDE) proporciona formas de comprobar la integridad de una pieza o un sistema sin romperlo ni destruirlo. Con el apoyo de la Oficina de Seguridad y Aseguramiento de la Misión (Office of Safety and Mission Assurance), las instalaciones de la NASA están usando estos procesos para inspeccionar el SLS, la nave espacial Orión y otros activos de la agencia.

Jess Waller, Ph.D., jefe de proyectos y científico de materiales, trabaja con NDE en el Centro de pruebas de White Sands de la NASA. También ha sido miembro de ASTM International desde 1998 y ha estado muy involucrado en el Comité sobre Pruebas no destructivas (E07), así como en los Comités sobre Plásticos (D20), Materiales compuestos (D30), Tecnologías de fabricación aditiva (F42) y Compatibilidad y sensibilidad de materiales en ambientes enriquecidos con oxígeno (G04).

Waller dice que el uso de piezas únicas o de cantidad limitada debido a su complejidad y el desarrollo dirigido específicamente a aplicaciones de vuelos espaciales de fractura crítica han llevado a una dependencia de las pruebas NDE. “Necesitamos contar con procedimientos basados en análisis y pruebas para evitar fallas catastróficas. Agrega que “esos requisitos deben ser estrictos y vinculantes para la industria aeroespacial comercial y más aún para los vuelos espaciales con seres humanos”.

La NDE proporciona diversos enfoques para asegurar que las piezas de naves espaciales y cohetes, desde la estructura principal hasta sistemas y componentes específicos tales como recipientes a presión, motores y otros sistemas, no tengan fallas, grietas ni discontinuidades. Los materiales a evaluar podrían ser aleaciones metálicas o compuestos de matriz polimérica.

Se citan varios estándares relevantes de ASTM International sobre pruebas NDE en el estándar general de la NASA de esta área: Requisitos de evaluación no destructiva para componentes metálicos de fractura crítica (Nondestructive Evaluation Requirements for Fracture Critical Metallic Components) (NASA-STD-5009). Este estándar se aplica toda vez que el control de fracturas sea un requisito de un componente o sistema que use metal.

Los estándares de ASTM sobre NDE para materiales metálicos incluyen pruebas por partículas magnéticas (E1444) y líquidos penetrantes (E1417), exámenes radiográficos (que utilizan rayos X o rayos gamma para revisar el material, E1742 entre otros), examen ultrasónico (sonido de alta frecuencia, E2698) y otros.

Waller señala que los materiales compuestos son cada vez más populares debido a su alta resistencia específica y menor peso, y que se están explorando para nuevos usos en naves espaciales. Otros estándares de ASTM, como la práctica para el examen radiográfico de materiales compuestos de panel plano y materiales de núcleo sandwich utilizados en aplicaciones aeroespaciales (E2662), proporcionan orientación para este tipo de evaluaciones. Las prácticas para pruebas por ultrasonido (F2580), shearografía (F2581) y emisión acústica (E2661) de materiales compuestos de panel plano y materiales de núcleo sandwich proporcionan formas de encontrar fallas superficiales y subsuperficiales.

Con el auge de la fabricación aditiva (AM) para el sector aeroespacial, el Comité E07 ha concentrado su atención en los estándares sobre NDE para estas piezas. Se están elaborando estándares en esta área, como un anteproyecto de Guía para el monitoreo durante el proceso de construcción de piezas aeroespaciales metálicas producidas mediante fabricación aditiva (WK62181) y pruebas no destructivas (NDT) posteriores a la construcción de piezas aeroespaciales metálicas producidas mediante fabricación aditiva (WK47031). Este último está casi terminado; trata sobre el uso de NDT para inspeccionar piezas producidas mediante fabricación aditiva a partir de materiales como aleaciones de aluminio, titanio, níquel y acero inoxidable. Los enfoques incluyen varios procedimientos, desde la tomografía computarizada y pruebas por corrientes de Foucault hasta radiografías y pruebas ultrasónicas, entre otros, tanto para las piezas “según construcción” como para las semiterminadas y terminadas después de un procesamiento posterior.

Trabajo en conjunto

Waller señala que todos -la industria, el sector académico y los organismos gubernamentales como la NASA- deben trabajar juntos para apoyar este nuevo impulso hacia el espacio. Todos aportan una perspectiva y una parte de los conocimientos necesarios para progresar.

“El objetivo de los estándares de ASTM que estamos desarrollando es tener métodos que puedan generar datos que nos ayuden a mitigar el riesgo”, dice Waller. “Se trata de trabajar juntos, en colaboración y de manera constructiva, hacia una meta común para garantizar la seguridad y confiabilidad de la misión”.

Una nueva tecnología en el espacio

El papel de la fabricación aditiva (AM) en la seguridad espacial está aumentando. Conocida familiarmente como impresión en 3D, la fabricación aditiva construye piezas capa por capa a través de alguno de los diversos procesos en uso. Una de las ventajas de la fabricación aditiva es su eficacia en la fabricación de piezas únicas y de producción limitada, lo que la convierte en una tecnología ideal para dar apoyo al campo de la industria aeroespacial.

El Comité de ASTM International sobre Tecnologías de fabricación aditiva (F42) ha desarrollado dos docenas de estándares para la fabricación aditiva. Matthew Donovan, miembro del Comité F42 que preside su Grupo de investigación e innovación (F42.90.05), es un ingeniero principal de Oerlikon AM US. La compañía suministra piezas de polvo metálico y piezas metálicas de fabricación aditiva a grandes empresas aeroespaciales y aeronáuticas, entre otras. Estas incluyen componentes de satélites y de lanzamientos que utilizan materiales de alta resistencia como titanio, aluminio e Inconel.

Donovan reconoce la importancia de estos estándares. “Uso los estándares todo el día, todos los días”, dice. “La única forma en que puedo utilizar estas tecnologías es demostrando que las piezas que fabricamos son buenas. Para eso, necesitamos estándares para que todos podamos hablar el mismo idioma y saber que lo que certifico para el usuario final es una pieza buena”.

Los estándares ayudan a todos a hablar el mismo idioma.

Un cincuentenario

El alunizaje del Apolo -hace 50 años este año- se apoderó de los televisores el 20 de julio, ya que se tenía fantasías al respecto desde mucho tiempo antes.

Los astrónomos observaban las estrellas y los escritores tejían historias de hombres que se lanzaban al espacio y aterrizaban en otros planetas, así como seres de otros planetas, estrellas y galaxias que se dirigían a la Tierra con buenas o malas intenciones. Los libros, y ahora Internet, están repletos de cuentos, así como de la historia y los hechos acerca de lo que ha hecho posible la exploración espacial.

La historia cambió”, como señala la NASA, con el lanzamiento del Sputnik 1, un satélite del tamaño de una pelota de playa, en octubre de 1957. La Unión Soviética continuó hasta llegar a la luna con la sonda Luna 2 en 1959.

En 1958 se promulgó la Ley Nacional de Aeronáutica y del Espacio de los Estados Unidos (U.S. National Aeronautics and Space Act), que estableció la NASA. Luego, en 1961, el presidente de los Estados Unidos, John F. Kennedy, solicitó una inversión para apoyar el programa espacial con el fin de que el hombre pudiera llegar a la Luna.

Incontables horas y la dedicación sin precedentes de una multitud de mentes brillantes llevaron al lanzamiento del Apolo 11 el 16 de julio. Y se estima que 600 millones de personas en todo el mundo vieron 76 horas después el aterrizaje del Eagle.