¿Cómo ha evolucionado el combustible de
los cohetes espaciales?

El desarrollo de los combustibles de cohetes ha sido una historia de refinamiento químico, impulsada por la búsqueda de mayor energía, control y seguridad. Cada generación de “propulsantes” ha surgido de avances en la comprensión de la termodinámica, la reactividad molecular y la estabilidad de las mezclas químicas capaces de transformar energía química en empuje. Desde los primeros cohetes rudimentarios de pólvora hasta los modernos sistemas criogénicos y “verdes”, mostrando que la química ha sido uno de los motores de la exploración espacial.

Los primeros cohetes, usados hace casi mil años en China, empleaban pólvora negra, una mezcla de nitrato de potasio, azufre y carbón. Aunque su energía era baja, marcaron el inicio de la propulsión química. En el siglo XX, la revolución llegó con los combustibles líquidos, que permitieron controlar la combustión y regular el empuje. Las primeras combinaciones como etanol y oxígeno líquido (LOX) se usaron en el cohete V-2 alemán que aunque fue concebido con fines científicos fue usado como arma en la Segunda Guerra Mundial por los Nazis, y demostraron que el rendimiento dependía directamente de la energía de enlace liberada y del número de moles gaseosos generados durante la reacción.

A partir de entonces, la evolución de los combustibles siguió tres direcciones principales, mayor eficiencia energética, mejor almacenabilidad y seguridad operativa. Durante las décadas de 1950 y 1960, los sistemas basados en queroseno (RP-1) y oxígeno líquido dominaron el lanzamiento de satélites y misiones tripuladas, como en el caso del cohete Saturno V del Programa Apolo que llevó al hombre a la Luna y algunos de los actuales cohetes chinos Long March. Esta mezcla es químicamente más estable y fácil de manejar que el hidrógeno, aunque produce residuos carbonosos. La reacción de oxidación del queroseno (principalmente hidrocarburos C₁₂–C₁₅) libera gran cantidad de calor, pero deja trazas de hollín, resultado de una combustión incompleta. Sin embargo, en el caso del Saturno V, esta mezcla sólo se usaba en su primera etapa, sus otras dos etapas usaban una mezcla de hidrógeno y oxígeno, cuya combustión era más eficiente y proporcionaba un mayor impulso. Esta mezcla, era resultado del avance de la criogenia, que implica el uso de temperaturas extremadamente bajas. El hidrógeno líquido (LH₂) combinado con oxígeno líquido se convirtió en el propulsor de mayor rendimiento químico conocido. Su combustión produce únicamente vapor de agua, lo que lo convierte también en uno de los más limpios, de hecho, el sistema de cohetes de las nuevas misiones Artemisa que iran nuevamente a Luna siguen usando esta combinación. A nivel molecular, su alta eficiencia se explica porque el hidrógeno tiene la mayor energía por unidad de masa y genera productos de baja masa molecular (H₂O), lo que incrementa la velocidad de eyección de los gases. Sin embargo, su baja densidad y la necesidad de almacenarlo a −253 °C representan un desafío técnico importante.

En paralelo, surgieron los combustibles hipergólicos, en los que el combustible y el oxidante reaccionan espontáneamente al contacto. Combinaciones como hidrazina (N₂H₄) con tetróxido de dinitrógeno (N₂O₄) ofrecieron gran fiabilidad y almacenamiento a temperatura ambiente, por lo que se usaron ampliamente en satélites y sondas interplanetarias. La química detrás de esta mezcla es altamente exotérmica, pero también extremadamente tóxica y corrosiva, razón por la que actualmente se buscan sustitutos más seguros. Los nuevos propulsantes verdes, como el llamado AF-M315E, basado en nitrato de hidroxilamina (NH₂OH·HNO₃), mantienen el rendimiento de la hidrazina con menor toxicidad y mejor densidad energética.

En la actualidad, el interés se centra en los combustibles a base de metano (CH₄/LOX), como es el caso del cohete Super Heavy de 71 metros de Space, X que es parte de los cohetes que se usarán para regresar a Luna y para misiones a Marte. Esta combinación es una alternativa intermedia entre RP-1 y LH₂. El metano produce una combustión más limpia que el queroseno, tiene buena densidad y puede obtenerse a partir del dióxido de carbono mediante reacciones catalíticas, lo que lo hace atractivo para misiones interplanetarias con producción de combustible in situ (por ejemplo, en Marte). Este enfoque combina eficiencia química, viabilidad técnica y sostenibilidad.

Aunque han surgido nuevos tipos de propulsión como la eléctrica o la nuclear térmica, la propulsión química líquida sigue siendo esencial en el espacio interplanetario. Los sistemas eléctricos proporcionan mayor eficiencia, pero bajo empuje; los químicos, en cambio, ofrecen la potencia necesaria para despegues, inserciones orbitales o maniobras críticas.

En el caso de la exploración espacial, el problema que ha enfrentado la propulsión es el hecho de que se requiere una gran energía para vencer la fuerza gravitacional de la Tierra para alcanzar el espacio. Una nave requiere ser impulsada por un cohete hasta una velocidad de, al menos, 11 km/s, y la energía requerida depende de qué tanta masa se quiera transportar. En la masa transportada debe imcluirse al combustible del cohete. La gran innovación de cohetes como el Saturno V fue su diseño en etapas. Así, una vez consumido el combustible, la etapa se desprendía liberando masa y usando el combustible de las etapas restantes.

La investigación de la propulsión y la evolución de los combustibles de cohetes puede verse como un recorrido químico, desde mezclas sólidas rudimentarias hasta sistemas líquidos precisos donde cada molécula está elegida por su poder energético, estabilidad y compatibilidad, desde los enlaces C–H del queroseno hasta la simplicidad molecular del hidrógeno.