Diseño de un criotanque esférico sin revestimiento, totalmente compuesto, para almacenamiento de propulsores espaciales

Los vehículos de lanzamiento para viajes espaciales requieren mucho combustible y, por tanto, mucho almacenamiento de combustible. Los propulsores típicos como oxígeno, hidrógeno y nitrógeno pueden almacenarse como gases a temperatura ambiente, pero como los gases tienen una densidad relativamente baja, almacenar suficiente propulsor gaseoso para un lanzamiento espacial requeriría tanques muy grandes, lo que aumentaría el peso de la nave espacial y limitaría su capacidad de carga útil. Estos propulsores, por tanto, se almacenan idealmente a mayor densidad como líquidos, permitiendo el uso de tanques más pequeños y en menor número, pero muchos propulsores comunes deben enfriarse a temperaturas ultracriogénicas (generalmente por debajo de -150 °C o -238 °F) para existir como líquidos.

Innovación en tanques criogénicos

Con este fin, en abril de 2020, Infinite Composites Technologies (ICT, Tulsa, Oklahoma, EE. UU.) anunció el desarrollo de un criotanque esférico, sin revestimiento y totalmente compuesto: un recipiente a presión para almacenar propulsores criogénicos en vehículos de lanzamiento espacial propulsados por cohetes.

Los recipientes a presión sin revestimiento (también conocidos como Tipo V) han sido durante mucho tiempo un objetivo en el diseño de tanques de almacenamiento a alta presión de fibra de carbono compuestos. Tradicionalmente, los recipientes a presión de los Tipos I a IV incorporaban al menos algún porcentaje de metal, como mínimo como revestimiento entre el gas o líquido almacenado y el exterior compuesto (Tipo IV). Eliminar los componentes metálicos reduce significativamente el peso del tanque, lo que, en el caso de tanques de almacenamiento de combustible para naves espaciales, conduce a una reducción de costes de lanzamiento o a un aumento de la capacidad de carga útil.

Sin embargo, los diseños totalmente compuestos para combustibles criogénicos como nitrógeno líquido u oxígeno líquido tienden a causar el elusivo problema de la microfisuración en el laminado. Cuando un laminado compuesto se expone a temperaturas extremas, como el enfriamiento a niveles criogénicos, la diferencia en los coeficientes de expansión térmica (CTE) entre cada capa puede provocar grietas y fugas. Muchos sistemas de resina también se vuelven frágiles a temperaturas criogénicas, agravando el problema. Según el CEO de ICT, Matt Villarreal, Infinite Composites Technologies ha desarrollado un criotanque sin revestimiento que elimina los problemas de microfisuración.

De los coches de carreras a los cohetes

Antes de que los criotanques formaran parte del panorama, Villarreal y su socio comercial Michael Tate comenzaron sus carreras en el diseño de recipientes a presión compuestos mientras estudiaban en la Universidad Estatal de Oklahoma (Stillwater, Oklahoma, EE. UU.). En 2008, se unieron al pequeño equipo Formula SAE de la escuela, que trabajaba en un diseño para un vehículo estilo Fórmula Uno a escala cuarto para competir en un próximo evento internacional de la competencia de ingeniería y diseño universitario de Formula SAE. Para atraer la financiación tan necesaria de empresas locales de gas natural, Villarreal y Tate ayudaron a convertir el vehículo del equipo para que funcionara con gas natural comprimido (GNC), pero descubrieron que el tanque de almacenamiento de GNC totalmente metálico que usaban era tan pesado que afectaba la eficiencia del combustible del coche al punto de tener que repostar muchas veces durante la prueba de resistencia de 24 horas de la competencia.

"Después de la carrera, volvimos e investigamos, y descubrimos que la masa del tanque era un problema importante en muchas industrias diferentes, y era una tecnología habilitadora clave tanto para la energía limpia en transporte como para la exploración espacial", dice Villarreal.

Durante su investigación sobre tecnologías que facilitan tanques de GNC más ligeros, Villarreal dice que él y Tate comenzaron a pensar en conceptos para los tanques compuestos sin revestimiento Tipo V, aclamados en la industria como el "Santo Grial" de los recipientes a presión. Más tarde en 2008, Villarreal y Tate fundaron una empresa llamada CleanNG LLC para, inicialmente, desarrollar tanques de alta presión para almacenamiento de gas natural. Desde 2013, el recipiente a presión infiniteCPV cilíndrico, totalmente de fibra de carbono compuesto de la empresa, se ha utilizado en aplicaciones terrestres e industriales para almacenar, como se diseñó inicialmente, gas natural comprimido, y también, cada vez más, gases comprimidos de criptón, nitrógeno y helio.

A medida que la empresa continuaba el trabajo en su diseño de recipiente a presión, Villarreal dice que empresas que construyen vehículos espaciales comenzaron a contactar a CleanNG con financiación de investigación y desarrollo para desarrollar versiones de sus tanques para uso en naves espaciales. "Después de un tiempo, el caso de negocio se volvió más atractivo para el espacio", dice Villarreal.

Desarrollo del CryoSphere

En 2016, la empresa cambió su nombre a Infinite Composites Technologies, y en los años siguientes, ICT se centró principalmente en proyectos espaciales comerciales, aunque Villarreal dice que la empresa también trabaja en aplicaciones de defensa como carcasas de motores cohete, así como aviones militares y vehículos aéreos no tripulados. Como parte de esta transición, el diseño del tanque infiniteCPV cilíndrico se ha integrado en varios vehículos de lanzamiento cohete que se esperaba volaran en 2020.

El CryoSphere, dice Villarreal, es esencialmente una evolución del tanque infiniteCPV original.

Superando la microfisuración

A medida que el enfoque de ICT se volvía más hacia las necesidades de las naves espaciales, Villarreal dice: "Comenzamos a ver una tendencia de que el verdadero desafío era fabricar criotanques compuestos". Los tanques criogénicos, o criotanques, son recipientes a presión especialmente diseñados para soportar no solo altas presiones sino también temperaturas extremadamente bajas, como las temperaturas por debajo de -200 °F requeridas para el almacenamiento de nitrógeno líquido, oxígeno líquido, metano líquido u otros combustibles y oxidantes utilizados para impulsar vehículos de lanzamiento espacial.

La empresa solicitó financiación al estado de Oklahoma y recibió una subvención de tres años por 300.000 dólares del Centro para el Avance de la Ciencia y la Tecnología (OCAST) en 2013 para caracterización de materiales y pruebas a nivel de materiales de un concepto de criotanque. "El proyecto fue moderadamente exitoso", dice Villarreal. "Encontramos algunos buenos candidatos de materiales y tuvimos una buena indicación de que podíamos avanzar con el concepto y empezar a solicitar otras cosas".

ICT presentó su concepto de criotanque al Centro Espacial Johnson de la NASA (Houston, Texas, EE. UU.) en 2018, y más tarde inició un proyecto de desarrollo rápido para un criotanque compuesto para ser usado en un vehículo demostrador de alunizador lunar, un vehículo que, dice Villarreal, era similar al anterior vehículo de prueba de despegue y aterrizaje vertical (VTVL) Morpheus de la NASA. Los requisitos de rendimiento del tanque incluían la capacidad de soportar 10 ciclos de nitrógeno líquido (LN2) a una presión de 100 psi, involucrando una caída de temperatura hasta -290 °F y luego de vuelta a temperatura ambiente. Además, el tanque no podía perder más de 10 psi durante una prueba de helio de 30 minutos entre cada ciclo de LN2, y necesitaba soportar una rotura criogénica posterior al ciclo de 1.000 psi (±100 psi).

La primera ronda de pruebas en un criotanque cilíndrico fue un éxito parcial, sobreviviendo solo cinco ciclos criogénicos. "Aceleramos el proyecto y básicamente rediseñamos en unas ocho semanas", dice Villarreal. "Fue una carrera loca", admite, "y el tanque sobrevivió un par de ciclos térmicos, pero luego empezó a filtrarse". El problema era la microfisuración en el laminado. El equipo terminó las pruebas y luego "volvió a la mesa de dibujo", dice Villarreal.

"La tecnología central está en los materiales", dice Efren Luevano, gerente de ingeniería de ICT. El CryoSphere está hecho de fibra de carbono Toray (Tokio, Japón) T800 y una resina epoxi, y se fabrica mediante enrollado de filamentos, curado a temperatura ambiente y post-curado en un horno industrial (en lugar de un autoclave) en la instalación de ICT en Tulsa.

Intentando resolver el dilema de la microfisuración, ICT comenzó pruebas iterativas de varios tipos de aditivos dentro de una matriz de resina epoxi químicamente endurecida propietaria, en diferentes concentraciones. En el proceso, el equipo descubrió una combinación de dos aditivos que, cuando se probó el tanque de nuevo, permitió que el diseño cumpliera los requisitos térmicos. Uno de estos es el grafeno.

"Para este caso, estamos usando grafeno como refuerzo mecánico a nanoescala", dice Villarreal. Explica que las láminas de grafeno se extienden a través del espacio entre las fibras y crean un obstáculo para la formación de grietas en el laminado. El grafeno también mejora la resistencia de los enlaces entre las capas.

"Lo que intentas hacer es mantener las fibras en su lugar mientras presurizas el tanque y aplicas la carga al tanque", explica Villarreal. A bajas temperaturas, la resina se vuelve frágil y comienza a fracturarse; a medida que se añade presión a las fibras, estas comienzan a deslizarse entre sí y rompen los enlaces químicos entre ellas, dice. Las láminas de grafeno actúan como refuerzo mecánico entre las capas de fibra, reduciendo la probabilidad de movimiento y fractura.

Un aditivo propietario adicional también se incorpora a la matriz, haciendo el laminado más dúctil a bajas temperaturas y creando propiedades más aislantes en el laminado. Además de la microfisuración, "el aislamiento es uno de los desafíos de estos criotanques", dice Villarreal. En pruebas, el nuevo diseño CryoSphere incorporando la resina mejorada con grafeno tardó casi una hora con nitrógeno líquido en él "en mostrar signos externos de frío". Aunque no había un requisito particular para esto, añade que en tanques previos probados con nitrógeno líquido, se había formado escarcha en la superficie externa del tanque dentro de los 10 minutos de llenar el tanque con nitrógeno líquido.

Ventajas del diseño esférico

Además de la compatibilidad criogénica, Luevano añade que el diseño esférico fue un desafío en sí mismo. Según Villarreal, la ventaja de la forma esférica es que permite una mejor eficiencia de empaquetado para aplicaciones con requisitos de tamaño específicos o ajustados, como los alunizadores. Sin embargo, un desafío fue que el potencial de deslizamiento durante la fabricación era mayor en una superficie esférica comparada con una cilíndrica, lo que Villarreal dice se debía tanto al ángulo de enrollado necesario como a que el acabado superficial del mandril no creaba suficiente fricción para mantener las fibras impregnadas en húmedo en su lugar, lo que hacía el control y la colocación de la fibra más difícil. Otro desafío fue que el software de diseño de patrones que usaba el equipo estaba optimizado para cilindros y no podía generar patrones factibles para la esfera usando el flujo de trabajo normal. "Tuvimos que ser creativos con soluciones alternativas", añade.

El diseño esférico también ayudó con el problema de microfisuración, un beneficio no intencional, dice Villarreal. El equipo se dio cuenta en una iteración temprana del diseño que había una diferencia de temperatura de unos 150 °F entre la parte inferior del tanque y la superior, causada por el proceso de llenado de una hora en el que el nitrógeno líquido estaba en el fondo de la mitad del tanque a -290 °F mientras que el nitrógeno gaseoso que llenaba la mitad superior estaba solo a -140 °F. "Cuando obtienes esos gradientes tan pronunciados de temperatura en el laminado, puede causar fracturas, porque una parte intenta estirarse a una velocidad diferente que otra", dice Villarreal. Ese gradiente entre la parte superior e inferior del tanque se reduce con una forma esférica más pequeña, ayudando a disminuir la disparidad de temperatura.

Con el nuevo diseño optimizado en mano, ICT firmó un contrato a finales de 2019 con el Centro Espacial Kennedy de la NASA (Cabo Cañaveral, Florida, EE. UU.) para entregar dos tanques criogénicos esféricos para pruebas que eran la mitad de la escala de los tanques cilíndricos del alunizador Morpheus. "Nuestros CryoSpheres completaron todas las pruebas de ciclos térmicos con pruebas de helio entre cada ciclo para asegurar que no se hubieran desarrollado microfracturas", dice Villarreal. "A nuestro conocimiento", añade, "había otros tres proveedores compitiendo por este contrato, pero para cuando completamos las pruebas, ninguno de los otros proveedores había creado siquiera sus primeros prototipos".

Próximos pasos hacia el vuelo espacial

Las pruebas continúan. ICT también recibió financiación para el programa MISSE de la NASA, que lanza materiales a la Estación Espacial Internacional (EEI) para fines experimentales. Para esto, ICT creó esferas de dos pulgadas y media de diámetro, un tamaño desarrollado principalmente para fines de prueba pero que Villarreal añade podría usarse en aplicaciones como sistemas neumáticos para robots. "Parecen extrañamente como pequeñas granadas", señala. ICT entregó cinco de estos CryoSpheres al Centro de Investigación Avanzada Langley de la NASA (Hampton, Virginia, EE. UU.) en febrero de 2020. El lanzamiento MISSE a la EEI se planeó inicialmente para agosto de 2020, pero se ha retrasado hasta probablemente noviembre, dice Villarreal. Una vez entregados a la EEI, los CryoSpheres se colocarán en el exterior de la estación y se estudiarán durante unos seis meses con sensores de radiación adjuntos, para probar la resistencia de los materiales cuando se exponen al calor y la radiación mientras orbitan la Tierra y están expuestos directamente al sol. Si estas pruebas son exitosas, ICT recibirá los CryoSpheres de vuelta para pruebas criogénicas adicionales y para evaluar los efectos de la exposición a la radiación en los materiales. La principal preocupación es cómo los enlaces químicos en la resina podrían verse afectados.

Después de eso, dice Villarreal, el siguiente paso es la calificación de vuelo. Dice que ICT ya ha completado aproximadamente la mitad de las pruebas de calificación usando una versión adaptada del estándar S-081B del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), y anticipa que el resto de las pruebas se completarán a finales del tercer trimestre de 2020.

La empresa también planea escalar el tamaño del tanque hasta 48 pulgadas de diámetro, el tamaño especificado para alunizadores comerciales en desarrollo por la NASA, y está trabajando en asociaciones para enviar el CryoSphere a la Luna.

"Nuestro equipo está expandiendo los límites de lo posible con tanques totalmente compuestos", concluye Villarreal. "Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar la exploración espacial y el transporte sostenible."