Una detonación interminable podría ser la clave para el vuelo hipersónico y los aviones espaciales que pueden volar sin problemas desde la Tierra a la órbita. Y ahora, los investigadores han recreado el fenómeno explosivo en el laboratorio que podría hacerlo posible.
Las detonaciones son un tipo de explosión particularmente poderosa que se mueve hacia afuera más rápido que la velocidad del sonido. La explosión masiva que sacudió el puerto de Beirut en el Líbano en agosto pasado fue una detonación, y la destrucción generalizada que causó demuestra las enormes cantidades de energía que pueden producir.
Los científicos han soñado durante mucho tiempo con construir motores de aviones que puedan aprovechar esta energía; teóricamente, esta nave podría volar de Nueva York a Londres en menos de una hora. Pero las detonaciones son increíblemente difíciles de controlar y, por lo general, duran menos de un microsegundo, por lo que nadie ha podido hacerlas realidad. Ahora, un equipo de la Universidad de Florida Central ha creado una configuración experimental que les permite mantener una detonación en una posición fija durante varios segundos, lo que, según los investigadores, es un paso importante hacia los futuros sistemas de propulsión hipersónica.
“Lo que estamos tratando de hacer aquí es controlar esa detonación”, dijo Kareem Ahmed, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Florida Central, y autor principal de un nuevo artículo sobre la investigación publicado el lunes 10 de mayo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Queremos congelarlo en el espacio y aprovechar esa energía. En lugar de que destruya edificios, como vieron en el Líbano, ahora quiero usarlo y producir empuje con él”, dijo Ahmed a Live Science.
“Si podemos hacer eso, podemos viajar súper rápido”.
El avance se basó en décadas de investigación en un sistema de propulsión teórico llamado motor de onda de detonación oblicua (ODWE). El concepto funciona canalizando una mezcla de aire y combustible a velocidades hipersónicas (más de cinco veces la velocidad del sonido) hacia una rampa, lo que crea una onda de choque. Esta onda de choque calienta rápidamente la mezcla de aire y combustible y hace que detone, expulsando los gases de escape de la parte trasera del motor a alta velocidad. ¿El resultado? Mucho empuje.
Cuando una mezcla de aire y combustible detona de esta manera, la combustión resultante es extra eficiente ya que se quema cerca del 100% del combustible. La detonación también genera mucha presión, lo que significa que el motor puede generar mucho más empuje que otros enfoques. En teoría, esta detonación debería ser capaz de propulsar una aeronave a hasta 17 veces la velocidad del sonido, dicen los investigadores, lo que podría ser lo suficientemente rápido como para que la nave espacial simplemente vuele fuera de la atmósfera, en lugar de tener que levantar un cohete.
El desafío es mantener la detonación durante el tiempo suficiente para impulsar dicho vuelo, y las demostraciones experimentales anteriores han alcanzado un máximo de unos pocos milisegundos. La principal dificultad, dijo Ahmed, radica en evitar que la detonación viaje río arriba hacia la fuente de combustible, donde puede causar daños graves, o más adelante, donde desaparecerá.
“Siempre ha existido la pregunta de: “Bueno, si la mantienes durante un milisegundo más o menos, ¿la mantienes temporalmente?”, dijo Ahmed.” No sabes si te has estabilizado o no”.
Para ver si podían mejorar el récord anterior, Ahmed y sus colegas construyeron una serie de cámaras de aproximadamente 0,76 metros que mezcla y calienta aire y gas hidrógeno antes de acelerarlo a velocidades hipersónicas y dispararlo en una rampa. Al equilibrar cuidadosamente las proporciones de la mezcla de aire y combustible, la velocidad del flujo de gas y el ángulo de la rampa, pudieron generar una detonación que permaneció fija en su posición durante unos 3 segundos. Eso es lo suficientemente largo para confirmar que la detonación se estabilizó en una posición fija y no viajaba hacia arriba o hacia abajo, dijo Ahmed, que es un primer paso importante hacia la realización de un ODWE de la vida real.
Frank Lu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Texas en Arlington que se especializa en motores basados en detonaciones, dijo que demostrar una detonación estable es un logro significativo. Para desarrollar un motor práctico, los investigadores ahora tendrán que averiguar cómo operar en un rango de velocidades y altitudes y lidiar con las inestabilidades de combustión causadas por cosas como la mezcla desigual del combustible y el aire.
“Creo que los investigadores han hecho un excelente trabajo y espero más resultados”, dijo Lu a Live Science.
Los investigadores solo realizaron su experimento durante unos segundos principalmente porque la intensidad de la detonación erosiona rápidamente los lados de vidrio de la cámara de prueba, explicó Ahmed. Tuvieron que usar vidrio en sus pruebas iniciales para poder hacer mediciones ópticas de la detonación, pero si fueran a reemplazarlos con lados de metal, deberían poder ejecutar la detonación por mucho más tiempo, dijo.
Y, de manera prometedora, Ahmed dijo que la estructura del aparato de prueba no es tan diferente del diseño de un ODWE a gran escala. El principal desafío para los investigadores ahora es averiguar cómo pueden alterar los tres ingredientes clave de la mezcla de combustible, la velocidad del aire y el ángulo de la rampa mientras mantienen la estabilidad de la detonación.
“Ahora, hemos demostrado que es factible, es más un problema de ingeniería explorar cómo sostenerlo en un dominio operativo más grande”, dijo Ahmed.
Fuente: Live Science.
