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Técnica computacional cara motores espaciales
Ep 503: Propulsión Espacial; Computación Cuántica; Fusiones de Estrellas de Neutrones; Agujeros Negros
13 de marzo de 202511 momentos
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Juan Carlos Gil explica la dificultad de optimizar motores eléctricos mediante métodos teóricos y el alto costo de su prototipado, lo que lleva a considerar técnicas modernas como simulaciones e Inteligencia Artificial.
…qué? Si son más sencillos de fabricar y demás, preguntaréis, pues por dos motivos: primero, porque están diseñados, esa es la gracia, para que funcionen durante muchísimo tiempo, así que las pruebas, indefectiblemente, van a tener que ser muy largas. Estás buscando desgaste de las paredes del motor, etc. Con lo cual no te vale que una semana y en segundo lugar, porque estos puñeteros motores eléctricos son muy sensibles a pequeños cambios en los parámetros de diseño, apenas modificaciones minúsculas en la forma de la tobera, en fin, pueden cambiar muchísimo la eficiencia de la ionización y la estabilidad del maldito plasma que como todos sabemos es en los motores de futuro, en los reactores futuros de fusión pues es uno de los problemas que se están abordando en la actualidad: como controlar el plasma. Es decir, queremos motores eléctricos pero optimizarlos por métodos teóricos no es posible; por prototipos es tremendamente caro y es aquí ahora sí donde entran los artículos que os quería comentar pues recurramos a técnicas modernas como simulaciones o Inteligencia Artificial. Y de esto van dos artículos, uno de cada una de las dos técnicas que os he comentado. El primero se titula Simulaciones de Blasov del haz de propulsión eléctrica y se ha publicado en la revista Plasma Sources Science and Technology el 11 de diciembre del año pasado. Está firmado por Chen Kui y Joseph Wang, de la Universidad del Sur de…
Palabras #1
Juan Carlos Gil explica las características necesarias para los motores de los lanzadores espaciales, destacando su tamaño y la necesidad de llevar tanto combustible como oxidante debido a la falta de oxígeno en el espacio.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #20motores lanzadores newtonscombustible oxidante cohetestamaño motores lanzadores…nave que acelera hacia atrás, la eyecta y por acción y reacción y por conservación de movimiento lineal, pues la nave va a recibir una aceleración en dirección opuesta, inversamente proporcional a su masa. Los lanzadores, los chismes que nos sacan de la Tierra, necesitan empujes brutales para vencer la gravedad del planeta, del orden de millones de newtons. Podemos quedarnos con esta referencia que luego hablaremos de motores con muchísimo menos empuje. Con lo cual, claro, necesitan motores brutales; los motores de los lanzadores, pues ya lo sabéis, son los motores más grandes que se han fabricado nunca. Además, en los lanzadores no podemos depender de que haya más o menos oxígeno, sobre todo porque cuando salimos muy arriba la presión total y también la parcial de oxígeno empieza a caer y eventualmente fuera del espacio no hay nada. Así que tenemos que llevar tanto combustible como oxidante; tenemos que llevar en los cohetes los dos. En los motores normales, la mayoría, son de propelente líquido pues típicamente de combustible se utiliza. Hidrógeno líquido, queroseno o últimamente algunos utilizan metal y como oxidante, pues el oxidante por antonomasia, que por eso se llama oxidación, que es oxígeno líquido, es muy a menudo el que se utiliza. Pero el desempeño de un motor no solo depende del…
Juan Carlos Gil explica cómo se mide la eficiencia de los motores espaciales, introduciendo el concepto de 'impulso específico' y destacando su peculiaridad por tener unidades de tiempo.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #10impulso específico motores espacialesunidades de tiempo impulso específicogravedad terrestre impulso específicokilo de combustible autosostenido gil…y como oxidante, pues el oxidante por antonomasia, que por eso se llama oxidación, que es oxígeno líquido, es muy a menudo el que se utiliza. Pero el desempeño de un motor no solo depende del empuje, que es un factor clave, sí, pero también su eficiencia. ¿Cómo de bien un motor espacial emplea ese combustible? Y en astronautica esto viene medido por una magnitud curiosa que se llama impulso específico y digo curiosa porque tiene unidades de tiempo, lo cual las tres primeras veces que te enfrentas a ello, yo ya llevo cuatro y ya me he acostumbrado, pero resulta realmente raro, lo admito, pero hay una forma de visualizarla El impulso específico de un propulsor es equivalente al tiempo que se mantendría autosostenido, autosuspendido en la gravedad terrestre, justo como se define así, usando un kilo de combustible, ¿vale? Bueno, en realidad lo que he hecho es medio mentira, porque eso solamente coincide con el impulso específico cuando el empuje que genera ese motor es igual a su peso, que no va a ser nunca el caso. Pero bueno, por lo menos nos da una referencia de entender…
Juan Carlos Gil compara la eficiencia de los motores de cohetes con la de las turbinas de avión, señalando que estas últimas son significativamente más eficientes.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #17eficiencia turbinas avión supera cohetesturbina avión moderna alcanza 4000 segundoscohetes lanzadores queman combustible planeta…específico, significa que ese motor utiliza mejor el combustible. Los impulsos específicos de estos motores cohete que os comentaba, de combustible líquido, pues están entre orden de 400 o 500 segundos, ¿vale? Eso también nos va a servir de referencia y una. Turbina de avión, por ejemplo, de las más modernas, pues llegan hasta los 4000 segundos. Son como 9 o así veces más eficientes las grandes turbinas de avión que los grandes cohetes de lanzadores. Ya vemos que los cohetes de lanzadores queman combustible a lo loco para sacarnos del pozo de potencial de nuestro planeta y es la única forma de conseguirlo. Perdona, Juan. Carlos, una preguntita: yo pensando en esa definición o esa forma de representar el impulso específico que has dado, no me queda claro. No me extraña, perdona. Si dices el tiempo que puede sostener su propio peso con un kilo de combustible, entonces si yo le…
Juan Carlos Gil continúa explicando las características de las velas solares experimentales para la propulsión espacial, comparándolas con los motores químicos convencionales.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2 · Palabras #16velas solares experimentales propulsión espacialimpulso específico velas solares brutalesmotores químicos convencionales espacioconsumo combustible nulo velas solares…a Venus. No consumimos en este caso combustible, los fotones no vienen de fuera, con lo cual si hacemos la fórmula sin pensar más del impulso específico saldría infinito, no aplica, pero podemos estimar o hacer una transposición, una conversión respecto de un Motor equivalente que generase ese empuje y tendría un impulso específico estas velas solares brutales, muy, muy poquito impulso. Pero claro, un consumo de combustible nulo, entre comillas, pues serían del orden de 10.000 o incluso 100.000 segundos, ese es el tope gama de impulso específico. Pero a nadie se nos escapa, en general lo que se usa es motores químicos, motores químicos también en el espacio. Que sí gastan combustible. Tradicionalmente se ha utilizado hidracina, sobre todo para las maniobras, no tanto para el empuje pero para las maniobras de control de órbita y también de actitud. Héctor, ¿qué te viste? Sí, quería hacer un comentario, pero en…
Juan Carlos Gil explica los detalles técnicos de los motores eléctricos utilizados en la propulsión espacial, mencionando el uso de gases nobles ionizados como xenón o criptón.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3 · Palabras #4gases nobles ionizados xenón criptóncampos eléctricos magnéticos aceleración ionesmotores espaciales eléctricos milinewtonsimpulso específico motores propulsores espacialesmotores eléctricos propulsión espacialmisiones interplanetarias duración largasatélites meteorológicos rusos años 70primeras pruebas vuelo años 60…materia neutra que es lo que podemos llevar en la nave, típicamente gases nobles, gorditos; queremos que sean átomos gorditos para que cuando salgan a toda leche se lleven mucho momento y nos impulsen para adelante. Típicamente se usan xenón o criptón. El radón es radiactivo, molaría, pero no nos dura nada, ese no nos vale. Y una vez que hemos ionizado estos gases nobles, aceleramos los iones, las partículas cargadas resultantes, tanto electrones como iones, hemos ionizado, hemos partido en dos cachitos, mediante campos eléctricos y o magnéticos. y eso nos va a hablar de los dos motores eléctricos, los propulsores espaciales eléctricos que existen. También lo anticipaba antes, generan muy muy bajo empuje, típicamente de milinewtons, milinewtons, nada, con lo que obviamente no sirven de ninguna de las formas para despegar, para movernos dentro de la atmósfera, pero por contra son muy extraordinariamente eficientes con impulsos específicos de Miles de segundos y algunos de muchos miles de segundos, lo que los hacen ideales para misiones de larga duración como misiones interplanetarias o satélites; se utilizan ahora para que duren lo más posible. Es una tecnología, que no viene de Julio Bern, es mucho más moderna, apenas tiene 30 años; las primeras pruebas en vuelo se hicieron en los años 60 y las primeras aplicaciones, satélites meteorológicos rusos, soviéticos, en aquel caso en los 70. La primera misión pública, eso era secreto además, la primera misión pública de la que yo tengo noticia es el satélite PanamSat 5 a la órbita Geo lanzado en 1997 y operado por el operador Intelsat Y quería mencionar esto, en el año 2000 se puso en órbita el primer satélite europeo con propulsión eléctrica llamado SESAT-1 operado por…
Juan Carlos Gil explica las diferencias entre motores eléctricos electrostáticos y electromagnéticos, indicando que estos últimos están en fase experimental.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #19motores eléctricos electrostáticos ley coulombfuerzas de lorenz motores electromagnéticosexploración espacial motores atómicos…son los que utilizan las grandes megaconstelaciones como los 7.000 satélites, se dice pronto, 7 .000 satélites ya de Starlink y los 600 de OneWeb o sea es la forma elegida de propulsión para este tipo de emisiones de hoy sin duda; y decía: hay dos tipos los Motores eléctricos electrostáticos, porque utilizan apenas el campo eléctrico: un campo eléctrico estático, es decir, simple ley de Coulomb para acelerar las partículas cargadas o los electromagnéticos, que además hacen uso de campos magnéticos. Por tanto, fuerzas de Lorenz y empezamos por esto. Por estos últimos los campos, los motores electromagnéticos están en pruebas; no vuelan, no se han desarrollado de todo, pero son posiblemente el futuro a medio plazo de la exploración espacial, quizá en combinación con los motores atómicos que os hablaba antes. ¿Por qué? Porque tienen altos empujes para ser motores eléctricos; estamos hablando de un newton, un newton que es una manzana, una manzana que es aproximadamente un newton y de nuevo impulsos específicos brutales, con lo cual son extraordinariamente…
Juan Carlos Gil explica la dificultad de optimizar motores eléctricos mediante métodos teóricos y el alto costo de su prototipado, lo que lleva a considerar técnicas modernas como simulaciones e Inteligencia Artificial.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #1desgaste paredes motor eléctricomotores eléctricos diseño sensibleeficiencia ionización tobera reactores fusiónplasma reactores futuros controlmotores eléctricos optimización teóricaprototipado caro motores eléctricossimulaciones inteligencia artificial motores…qué? Si son más sencillos de fabricar y demás, preguntaréis, pues por dos motivos: primero, porque están diseñados, esa es la gracia, para que funcionen durante muchísimo tiempo, así que las pruebas, indefectiblemente, van a tener que ser muy largas. Estás buscando desgaste de las paredes del motor, etc. Con lo cual no te vale que una semana y en segundo lugar, porque estos puñeteros motores eléctricos son muy sensibles a pequeños cambios en los parámetros de diseño, apenas modificaciones minúsculas en la forma de la tobera, en fin, pueden cambiar muchísimo la eficiencia de la ionización y la estabilidad del maldito plasma que como todos sabemos es en los motores de futuro, en los reactores futuros de fusión pues es uno de los problemas que se están abordando en la actualidad: como controlar el plasma. Es decir, queremos motores eléctricos pero optimizarlos por métodos teóricos no es posible; por prototipos es tremendamente caro y es aquí ahora sí donde entran los artículos que os quería comentar pues recurramos a técnicas modernas como simulaciones o Inteligencia Artificial. Y de esto van dos artículos, uno de cada una de las dos técnicas que os he comentado. El primero se titula Simulaciones de Blasov del haz de propulsión eléctrica y se ha publicado en la revista Plasma Sources Science and Technology el 11 de diciembre del año pasado. Está firmado por Chen Kui y Joseph Wang, de la Universidad del Sur de…
Juan Carlos Gil explica las limitaciones del método PIC (Particle-in-Cell) para simulaciones, destacando su alta sensibilidad al número de partículas por celda.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #3simulaciones pic sensibilidad partículasartículo número partículas por celdatécnica computacional cara motores espaciales…yo utilizaba, simulaba iones en disolución y para mí el agua era un baño con tim. No tenía capacidad de cálculo para explicitar las moléculas de agua. Recordad es parecido. Yo por supuesto mis fuerzas también eran colómbicas y de repulsión entre los átomos. Bien, ¿qué ocurre con este método PIC? Pues que es extraordinariamente ruidos. En cuanto el número de partículas en una celda dada, pues no es de varios miles. En este artículo que os voy a comentar, de hecho, hacen una técnica mucho mejor y calculan el número de partículas que deberías tener por celda para que el PIC diese resultados razonables y le salen 10.000. O sea, necesitaríamos 10.000 partículas en cada celda y describir la pluma con muchos miles de celdas, un número abrumador Bueno, pues que las simulaciones PIX tienen una fluctuación estadística brutal, a no ser que le metas un número absurdo de celdas y de partículas Así que este artículo lo que ha hecho ha sido atreverse, una técnica que ya se conocía, pero que era también muy cara en términos de ordenador y que yo sepa es la primera vez que se utiliza para motores espaciales. Sí que se ha utilizado para fusión nuclear y en astrofísica, simulaciones de Blasov. ¿A ti te suena de algo, Héctor? Esto de simulación de Blasov con dos Vs, tengo que preguntar a Héctor porque lo mencionan en el artículo que no se queda de la corona del Sol,…
Juan Carlos Gil hace una comparación humorística entre el modelo Hall NN y el ordenador HAL 9000 de la película '2001: Una odisea del espacio'.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #16modelo hall nn hal 9000predicciones motor nave odysseyhall gente dave temo…puedes coger, depende del valor que te den Puedes coger la media, puedes coger lo que... pero sí, es iVagin Bueno, el modelo se llama Hall NN o Hall New Grand Airbook, estaba esperando a ver si a alguno le surgía porque a mí me hizo mucha gracia Héctor Me recordó el nombre al Hall 9000, ¿no? que controlaba la nave ¿Recordáis? de 2001 uno dice en el espacio Es curioso porque el Hall NN nos va a permitir hacer predicciones del motor que moverá aquella nave cuando llegue, ¿no? Esperemos que no nos diga eso de, lo siento Dave, me temo que no puedo hacer eso No puedo hacer eso, porque Hall, la gente a lo mejor no es Consciente, porque en la película parecía como una interfaz que hablaba con la gente, pero realmente su misión era controlar la nave y supongo que incluiría aspectos tales como controlar la propulsión, pues sí, como en este caso había que hacer cálculos en…
Héctor Socas continúa la discusión sobre métodos de propulsión espacial, respondiendo a la propuesta de Juan Carlos Gil sobre el uso de motores iónicos para viajes largos en el sistema solar.
Habla: Héctor SocasSignificado #12motor stirling ciclo enfriamiento calorfalsentauri con motor stirlingimpulso especifico motor ionicomotores iónicos aceleración continualanzador combinando motores fasesvelocidad de la leche sistema solarjuan carlos gil propuesta propulsión…nuclear para alimentar a un motor eléctrico; pasaríamos a Xenon y utilizaríamos el mismo reactor nuclear. ¿Qué pasa? Un reactor nuclear térmico no te serviría bien para generar electricidad, con lo cual tendrías que utilizar algo así como un motor Stirling. ¿Se acuerdan del motor Stirling que utiliza un ciclo de enfriamiento y calor? Con lo cual hay que hacer números ahí, pero vamos, nos podemos ir al Falsentauri con un motor; bueno, técnicamente es una complejidad tremebunda, pero suena chulo. A día de hoy el método para, digamos, moverte en distancias largas por el sistema solar, el método que se considera preferido es el motor iónico, por lo que decía Juan Carlos: de que tienes un impulso específico muy grande. Lo que pasa es que tienes un empuje muy pequeñito. Entonces son motores que tardan mucho en acelerar, pero van acelerando continuamente, con lo cual al final acabas consiguiendo una velocidad de la leche. Pero el problema es lanzar eso, entonces necesitarías un lanzador, o sea, combinando diferentes motores para diferentes fases, como propone Juan Carlos. Quizás te podría dar la solución óptima. O sea, pones un cohete grande y luego una nave con una propulsión diferente para moverse luego en diferentes fases del Viaje y está dando ideas, espera que está probando ya el paper. Yo estoy escribiendo, el motor este de Gil, ¿cómo se llama ya Cristina? Que ahora estoy poniendo nombre. Utiliza el único reactor nuclear para las tres fases. Hernández García, el motor Gil…
Juan Carlos Gil continúa explicando una alternativa para el lanzamiento de naves espaciales, mencionando el uso de lanzadores que elevan los motores a gran altitud antes del lanzamiento.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #18lanzadores elevan motores gran altitudavión lanza motor químico 11 kilómetrosfase densa atmósfera cohete primer metro…fases. Hernández García, el motor Gil Hernández utilizaría el mismo reactor con una fase atmosférica con aire, luego con hidrógeno y luego alimentando el motor eléctrico con seno. O sea, te vas liberando de masa, pero no del motor, o sea, del reactor nuclear. Ya si lo lanzas con el cañón electromagnético... ya lo veas. Hay lanzadores, eso sí, no lo he comentado; hay lanzadores que suben un avión, lo que más que pueden, 11 kilómetros, no sé qué, y ahí lanzas un motor, un pequeño cohete con motor químico y te ahorras la fase más densa de la atmósfera. El primer metro es más complicado que el segundo metro, siempre en un cohete. Pregunta Zebra, una facilita, dice: ¿los pares de Cooper tienen que tener espines opuestos o no tiene que ver? Bueno, los pares de Cooper en el modelo BCS, en el modelo de superconductividad convencional, sí tienen los espinos opuestos, ¿vale? Porque el…