Combustible criogénico

Los combustibles criogénicos son combustibles que requieren almacenamiento a temperaturas extremadamente bajas para mantenerlos en estado líquido . Estos combustibles se utilizan en maquinaria que opera en el espacio (por ejemplo, cohetes y satélites ) donde no se puede utilizar combustible ordinario, debido a las temperaturas muy bajas que suelen encontrarse en el espacio y a la ausencia de un entorno que favorezca la combustión (en la Tierra, el oxígeno es abundante en la atmósfera , mientras que el espacio explorable por humanos es un vacío donde el oxígeno es prácticamente inexistente). Los combustibles criogénicos suelen estar constituidos por gases licuados , como el hidrógeno líquido .

Algunos motores de cohetes utilizan refrigeración regenerativa , la práctica de hacer circular el combustible criogénico por las toberas antes de bombearlo a la cámara de combustión y encenderlo. Esta disposición fue sugerida por primera vez por Eugen Sänger en la década de 1940. Todos los motores del cohete Saturno V que envió las primeras misiones tripuladas a la Luna utilizaron este elemento de diseño, que todavía se utiliza hoy en día para los motores de combustible líquido.

Muy a menudo, al oxígeno líquido se le llama erróneamente combustible criogénico , aunque en realidad es un oxidante y no un combustible (como en cualquier motor de combustión , solo el componente no oxígeno de la combustión se considera "combustible", aunque esta distinción es arbitraria).

El fabricante de aviones ruso Tupolev desarrolló una versión de su popular diseño Tu-154 , pero con un sistema de combustible criogénico, denominado Tu-155 . Utilizando un combustible conocido como gas natural licuado (GNL), su primer vuelo se produjo en 1989.

Los combustibles criogénicos se pueden clasificar en dos categorías: inertes e inflamables o combustibles. Ambos tipos aprovechan la gran relación de volumen líquido-gas que se produce cuando el líquido pasa a la fase gaseosa. La viabilidad de los combustibles criogénicos está asociada a lo que se conoce como un alto caudal másico. ^[1] Con regulación, la energía de alta densidad de los combustibles criogénicos se utiliza para producir empuje en los cohetes y un consumo controlable de combustible. Las siguientes secciones proporcionan más detalles.

Estos tipos de combustibles suelen utilizar la regulación de la producción y el flujo de gas para impulsar los pistones de un motor. Los grandes aumentos de presión se controlan y se dirigen hacia los pistones del motor. Los pistones se mueven debido a la potencia mecánica transformada a partir de la producción controlada de combustible gaseoso. Un ejemplo notable se puede ver en el vehículo de aire líquido de Peter Dearman. Algunos combustibles inertes comunes incluyen:

• Nitrógeno líquido
• Aire liquido
• Helio líquido
• Neón líquido

Estos combustibles utilizan las propiedades criogénicas beneficiosas del líquido junto con la naturaleza inflamable de la sustancia como fuente de energía. Estos tipos de combustibles son bien conocidos principalmente por su uso en cohetes . Algunos combustibles combustibles comunes incluyen:

• Hidrógeno líquido
• Gas natural licuado ( GNL )
• Metano líquido

Los combustibles criogénicos combustibles ofrecen mucha más utilidad que la mayoría de los combustibles inertes. El gas natural licuado, como cualquier combustible, solo arde cuando se mezcla adecuadamente con las cantidades adecuadas de aire. En cuanto al GNL, la mayor parte de la eficiencia depende del índice de metano, que es el equivalente en gas del índice de octano. ^[2] Esto se determina en función del contenido de metano del combustible licuado y cualquier otro gas disuelto, y varía como resultado de las eficiencias experimentales. ^[2] Maximizar la eficiencia en los motores de combustión será el resultado de determinar la proporción adecuada de combustible y aire y utilizar la adición de otros hidrocarburos para una combustión óptima adicional.

Los procesos de licuefacción de gases han mejorado en las últimas décadas con la llegada de mejores máquinas y el control de las pérdidas de calor del sistema. Las técnicas típicas aprovechan la temperatura del gas, que se enfría drásticamente a medida que se libera la presión controlada de un gas. Una presurización suficiente y luego una despresurización posterior pueden licuar la mayoría de los gases, como lo ejemplifica el efecto Joule-Thomson . ^[3]

Si bien es rentable licuar el gas natural para su almacenamiento, transporte y uso, aproximadamente entre el 10 y el 15 por ciento del gas se consume durante el proceso. ^[4] El proceso óptimo contiene cuatro etapas de refrigeración con propano y dos etapas de refrigeración con etileno. Puede agregarse una etapa de refrigerante adicional , pero los costos adicionales del equipo no se justifican económicamente. ^{[ cita requerida ]} La eficiencia se puede vincular a los procesos en cascada de componentes puros que minimizan la diferencia de temperatura general entre la fuente y el sumidero asociada con la condensación del refrigerante. El proceso optimizado incorpora una recuperación de calor optimizada junto con el uso de refrigerantes puros. Todos los diseñadores de procesos de plantas de licuefacción que utilizan tecnologías probadas enfrentan el mismo desafío: enfriar y condensar de manera eficiente una mezcla con un refrigerante puro. En el proceso en cascada optimizado, la mezcla que se debe enfriar y condensar es el gas de alimentación. En los procesos de refrigerante mixto de propano, las dos mezclas que requieren enfriamiento y condensación son el gas de alimentación y el refrigerante mixto. La principal fuente de ineficiencia radica en el tren de intercambio de calor durante el proceso de licuefacción. ^[5]

• Los combustibles criogénicos son más limpios desde el punto de vista medioambiental que la gasolina o los combustibles fósiles . Entre otras cosas, la tasa de gases de efecto invernadero podría reducirse entre un 11 y un 20 % utilizando GNL en lugar de gasolina para el transporte de mercancías. ^[6]
• Además de su naturaleza ecológica, tienen el potencial de reducir significativamente los costos de transporte de productos del interior debido a su abundancia en comparación con la de los combustibles fósiles. ^[6]
• Los combustibles criogénicos tienen un caudal másico mayor que los combustibles fósiles y, por lo tanto, producen más empuje y potencia cuando se queman para su uso en un motor. Esto significa que los motores funcionarán durante más tiempo con menos combustible en general que los motores de gas modernos . ^[7]
• Los combustibles criogénicos no son contaminantes y, por lo tanto, si se derraman, no suponen ningún riesgo para el medio ambiente. No será necesario limpiar los residuos peligrosos después de un derrame. ^[8]

• Algunos combustibles criogénicos, como el GNL, son naturalmente combustibles. La ignición de los derrames de combustible podría provocar una gran explosión. Esto es posible en el caso de un accidente automovilístico con un motor de GNL. ^[8]
• Los tanques de almacenamiento criogénico deben poder soportar altas presiones. Los tanques de combustible de alta presión requieren paredes más gruesas y aleaciones más resistentes, lo que hace que los tanques del vehículo sean más pesados, lo que reduce el rendimiento.
• A pesar de su tendencia a no ser tóxicos , los combustibles criogénicos son más densos que el aire, por lo que pueden provocar asfixia . Si se produce una fuga, el líquido hervirá y se convertirá en un gas muy denso y frío que, si se inhala, podría ser mortal. ^[9]

• Motor de cohete criogénico
• Propulsor líquido para cohetes
• Túpolev Tu-244