El sector espacial ha sido el principal usuario del hidrógeno a nivel mundial desde el comienzo de las misiones a la Luna hace más de sesenta años, por sus especiales características físicas de calor de combustión, calor específico y baja densidad. Sus aplicaciones en el espacio básicamente son tres; combustible de alta eficiencia para motores cohete de lanzadores pesados, producción de energía electica en las células de combustible, y almacenamiento de energía mediante la producción de hidrógeno y oxígeno en electrolizadores.
Propulsión en lanzadores espaciales
La aplicación principal del hidrógeno en propulsión se debe a la eficiencia derivada de su calor de combustión de 39 kWh/Kg, tres veces más alto que el queroseno, el otro combustible utilizado en lanzadores espaciales. La eficiencia de un motor cohete se caracteriza por el denominado Impulso Específico Is, que determina su consumo y se expresa en segundos: equivale al tiempo en que el consumo de 1 Kg de combustible mantiene el empuje de 1 Kg. De esta manera, cuanto más alto sea Is más eficiente será el motor, ya que menos masa de propulsantes será necesaria para una misión. Este impulso específico depende básicamente del combustible. Como referencia, los motores de hidrógeno alcanzan 440 segundos, los de queroseno 340 segundos y los motores de combustible sólido (boosters) 250 segundos.
Entre los inconvenientes de utilizar hidrógeno están su baja densidad, que obliga a utilizar depósitos de gran volumen, y también que deben operar a el hidrógeno a temperaturas criogénicas en fase líquida a -253 ºC para poder inyectarlo a muy alta presión en la cámara de combustión. Es por esto por lo que se se denominan motores criogénicos.
La cantidad de combustible requerido para una misión es muy elevada. Por ejemplo, el lanzador Saturno V de 3.000 toneladas de peso, utilizaba 100 toneladas de hidrógeno en la segunda etapa; la Lanzadera Espacial Space Shuttle de 2.000 toneladas, también necesitaba 100 toneladas de hidrógeno en cada vuelo; el lanzador Europeo Ariane 5 de 800 toneladas requiere 30 toneladas de hidrógeno por lanzamiento.
La producción de hidrógeno debe ajustarse estrictamente al calendario de lanzamientos, y la cantidad necesaria puede llegar a ser tres veces la requerida para la misión. Esto es así para compensar las pérdidas por evaporación debidas a la propia producción, almacenaje, transporte, aplazamientos y otras incidencias habituales en los lanzamientos. Estas circunstancias han obligado al sector espacial a desarrollar sus propias capacidades de producción local de hidrógeno líquido para evitar riesgos por falta de disponibilidad en la programación de los lanzamientos.
La producción local de hidrógeno para lanzadores se suele realizar mediante el proceso de reformado de metanol, que a su vez se obtiene de la producción industrial de metanol en refinerías a partir del gas natural. Todo este proceso de producción industrial, transporte y producción local genera más de 10 toneladas de CO2 por cada tonelada de hidrógeno producida. Siguiendo las directivas internacionales de emisiones de CO2, se está tratando de implantar la producción local de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua mediante electrolizadores de gran potencia utilizando fuentes de energía eléctrica renovables como son las energías solar y la eólica.
Pequeña Propulsión
Un vehículo en el espacio suele necesitar diferentes empujes durante cierto tiempo (impulso = fuerza*tiempo), por ello necesitan un sistema de propulsión adecuado a su misión. Las misiones de larga duración suelen requerir muy poco empuje durante largo tiempo de actuación, son empujes entre 10 mN y 500 mN que pueden operar continuamente durante días o meses; estos motores requieren un impulso específico muy alto, que a día de hoy sólo se consigue con motores de propulsión eléctrica. Los empujes entre 1 N y 10 N de corta duración para control de posición y pequeñas maniobras de satélites pueden utilizar gas frío a alta presión. Por encima de 10 N, fuerza habitual para cambios de órbita, se utiliza la propulsión química.
La utilización del hidrógeno como gas frío a alta presión para empujes del orden de 250 mN se lleva estudiando desde hace tiempo, pero debido a su baja densidad, mantener una cantidad razonable de hidrógeno a presión elevada requiere un depósito muy voluminoso y pesado, lo que lo hace inviable. Una posible alternativa es utilizar el hidrógeno y oxígeno producidos por un electrolizador, con una salida a alta presión conectada directamente a una tobera a través de una válvula reguladora. Este puede ser un sencillo sistema de propulsión sin depósitos, donde únicamente sería necesario almacenar agua y suministrar energía eléctrica. Como aplicación posible tendríamos la des-orbitación de muchos satélites de baja órbita al final de su vida. Este sistema resulta muy interesante por la cantidad de satélites que se prevén en órbita baja para Internet y Observación de la Tierra, los cuales deberán ser eliminados al final de su vida útil.
El hidrógeno combustible interplanetario
Actualmente la NASA, la Agencia Espacial Europea y otros países están evaluando el próximo programa “Lunar Orbital Gateway”. Un ambicioso plan para situar una estación espacial en el punto de gravedad equivalente (L1) entre la Luna y la Tierra (órbita cislunar). Dicha estación serviría como base de partida para misiones interplanetarias, por ejemplo, la Luna o Marte. La idea que se persigue es llegar a producir localmente H2 y O2, , lo que permitiría producir propulsantes para motores criogénicos a partir del agua que pudiera estar disponible en la Luna o en Marte. Para ello es necesario desarrollar y calificar electrolizadores, así como fuentes de suministro eléctrico capaces de operar en las condiciones ambientales allí existentes.
Vuelos habitados
En el programa Mercury, al inicio de a carrera lunar de los años 60, la misión de la cápsula espacial estaba limitada a las pocas horas que duraban las baterías en descargarse. El salto cualitativo se alcanzó en el programa Gemini, al remplazar las baterías por células de combustible, lo que permitió prolongar las misiones varios días simplemente cargando el H2 y O2 necesario para la misión. Desde entonces la pila de combustible se ha venido utilizando en todos vuelos habitados.
Un sistema que combine un electrolizador y una célula de combustible, es un sistema regenerativo para almacenar energía. Cuando hay iluminación solar (carga) el electrolizador produce hidrógeno y oxígeno que se almacenan en depósitos, y en períodos de eclipse (descarga) el hidrógeno y el oxígeno alimentan las células de combustible que producen energía eléctrica y agua, que a su vez se almacena y recicla nuevamente en el electrolizador. Estos sistema regenerativos puede reducir drásticamente la masa del sistema de potencia remplazando las pesadas baterías, por lo que son de gran interés en programas espaciales.
Otra aplicaciones de sistemas regenerativos pueden ser la reutilización del agua, sub-producto de la célula de combustible, para el abastecimiento y uso en las estaciones espaciales, sistema ya empleado por el Space Shuttle en sus misiones a las estación Rusa MIR y la Estación Espacial Internacional.
