Pilas de combustible en el Espacio: Misiones Gemini

Gemini VI vista desde la Gemini VII

Gemini 6 vista desde la Gemini 7

Pongámonos en situación. Nos encontramos a principios de los años 60 del pasado siglo, el programa espacial Mercury, el primer programa espacial tripulado de los Estados Unidos, se encuentra en pleno apogeo logrando un éxito tras otro, pero no es suficiente. Los soviéticos van por delante, han conseguido poner el primer satélite en el espacio, el Sputnik 1, y el primer ser humano en orbitar la Tierra va a ser un ciudadano soviético, Yuri Gagarin, a bordo de la Vostok 1 el 12 de abril de 1961. Este último acontecimiento no les hace ninguna gracia a los estadounidenses que ven como la Unión Soviética se está haciendo con el control del espacio. Así, el 25 de mayo de 1961, poco más de un mes después de que Gagarin alcanzase el espacio, el presidente de los Estados Unidos, J.F. Kennedy, se echa un órdago y anuncia la intención de su país de llevar a un hombre a la Luna y posteriormente traerlo de vuelta antes del final de la década. Hay que dejar constancia de que en la fecha del discurso del señor Kennedy, los Estados Unidos no habían conseguido igualar aún la hazaña soviética, ni lo harían hasta casi un año después, 20 de febrero de 1962. Esto trastoca los planes iniciales del programa Apolo que pasa de tener como objetivo el sobrevuelo tripulado de la Luna a fin de encontrar una región adecuada para un posible alunizaje futuro, a tener que dejar una persona en la superficie de nuestro satélite y ser capaz de traerla de vuelta a la Tierra. Y en estas aguas bravas nace el 3 de enero de 1962 el programa Gemini como un banco de pruebas de equipos, procedimientos y maniobras que serían usados en las misiones Apolo. Con la vista puesta en la duración que tendrían las misiones lunares, una de las grandes metas del programa Gemini era aumentar la permanencia de los astronautas en el espacio desde las pocas horas de las misiones Mercury hasta las dos semanas. Y es aquí donde entran en juego las pilas de combustible.

Thomas Grubb y Leonard Niedrach

Thomas Grubb y Leonard Niedrach junto a una pila de combustible que emplea diesel como combustible.

Ya en la etapa de diseño se vio que debido a la gran duración prevista de las misiones Gemini, la generación de energía eléctrica a bordo de las naves para cubrir toda la misión iba a ser un gran reto. De hecho, cualquier sistema posible de generación de electricidad iba a requerir una gran inversión, esfuerzo e innovación, pues el estado de las tecnologías existentes no permitía cumplir con facilidad los requisitos del programa. La Oficina del Proyecto Gemini (GPO) estuvo buscando diferentes soluciones y entre ellas se encontraba un reciente desarrollo de General Electric (GE), la pila de combustible con electrolito de polímero sólido. La obra de Thomas Grubb y Leonard Niedrach consistía en una membrana catiónica a base de resina de poliestireno sulfonado. El dispositivo había sido desarrollado como parte de un programa con la División de electrónica de la Oficina de Buques de la Marina estadounidense (U.S. Navy’s Bureau of Ships) y el Cuerpo de Señales del Ejército (U.S. Army Signal Corps). Esta primera pila de combustible PEM (Proton Exchange Membrane) era un gran avance que permitía desarrollar sistemas de generación de electricidad compactos y portátiles, la gran pega era su coste ya que empleaban grandes cantidades de platino como catalizadores. Sin embargo, de cara al programa Gemini, donde el dinero no escaseaba precisamente, la nueva tecnología de pila de combustible de GE presentaba claras ventajas en cuanto a simplicidad, peso, eficiencia, durabilidad, seguridad y flexibilidad de la misión frente al resto de opciones. Siendo una ventaja añadida el hecho de que fuesen capaces de generar agua potable para el consumo de la tripulación y para la humidificación del aire de la nave. La facilidad de contención y manejo de este electrolito, que es sólido, fue determinante para su elección por delante de las pilas de combustible con electrolitos alcalinos líquidos que ya estaban desarrolladas. Así pues, el 20 de marzo de 1962, McDonell (contratista principal del programa Gemini) firmó un contrato de 9 millones de dólares con GE para que diseñase y desarrollase las pilas de combustible para las naves espaciales Gemini.

Esquema de la pila de combustible de las misiones Gemini

Esquema de la pila de combustible de las misiones Gemini junto a su posición en la cápsula.

Pero una pila de combustible sin reactantes no es nada, por lo que McDonell acordó con el subcontratista AiResearch un precio de 5.5 millones de dólares a cambio de que éste proveyese los sistemas de suministro de reactantes para la pila de combustible. El oxígeno y el hidrógeno se mantenían como fluidos supercríticos almacenados en sendos recipientes esféricos de doble pared. Mientras que a la hora de suministrarlos a las pilas de combustibles estos se pasaban a forma gaseosa y se adecuaba su temperatura a la de funcionamiento del stack mediante intercambiadores de calor.

Sin embargo, la introducción de las pilas de combustible en el ámbito espacial no fue precisamente “miel sobre hojuelas”. El primer problema en el desarrollo de las pilas de combustible para el programa Gemini fue la fuga de oxígeno a través de las membranas de intercambio iónico, que posteriormente se comprobó que era debida a la aparición de tensiones inducidas mecánicamente y no un error de diseño de las membranas.

Gemini VI vista desde la Gemini VII

Gemini 6 vista desde la Gemini 7

Pero sin duda, el mayor inconveniente de estas pilas de combustible fue la enorme sensibilidad al contenido de agua de la membrana. Si la membrana no estaba suficientemente hidratada esta se secaba y agrietaba. Pero tampoco toleraba un exceso de agua lo que conducía a la inundación de los electrodos. Cualquiera de los dos casos derivaba en un mal funcionamiento del stack y en la pérdida de sus capacidades. Los despiertos ingenieros de General Electric vieron que podían evitar el problema de la inundación de los electrodos debido al exceso de agua utilizando mechas, éstas permitían conducir el agua sobrante fuera del stack a unos depósitos. Sin embargo, en ensayos de larga duración de los stacks se comprobó que la pila de combustible iba disminuyendo rápidamente su potencia de salida. Tras arduas investigaciones se identificó la causa, la contaminación de la membrana por iones metálicos procedentes de las mechas de fibra de vidrio. La solución del problema requería cambios en el diseño, y aquí empieza una retahíla de retrasos en el desarrollo y entrega de las pilas de combustible para las primeras naves Gemini. Pero además había otro contratiempo que también iba a hacer necesario cambiar el diseño del stack, y es que durante la operación de la pila de combustible tenían lugar fugas en los conductos que suministraban el hidrógeno. Los tubos de titanio puro que se habían empleado hasta ese momento en el suministro de hidrógeno se sustituyen por tubos a base de una aleación de titanio-paladio menos susceptible a la fragilización por hidrógeno. Mientras, Draco, el fabricante de las mechas, sustituye el material de las mismas. Entre el rediseño y los retrasos por parte de los proveedores de los nuevos materiales, GE no es capaz de cumplir los plazos de entrega de las pilas de combustible para las primeras misiones del programa Gemini.

Módulo de pila de combustible de la Gemini V

Módulo de pila de combustible a bordo de la misión Gemini V. Pueden apreciarse los dos tanques esféricos de los reactantes.

A finales de 1963 la Gemini II iba con un mes de retraso en gran medida debido a las demoras acumuladas en el desarrollo del sistema de pila de combustible, el sistema de control en la reentrada, los tanques criogénicos de almacenamiento de los reactantes y el sistema de actitud orbital y maniobra. Todo hacía pensar que las pilas de combustible no iban a llegar a tiempo para la Gemini II y se sospechaba que tampoco para la Gemini III. Charles W. Mathews, el Director del Programa Gemini, en visión de los retrasos encarga un estudio sobre la posibilidad de emplear baterías en todas las misiones de rendezvous con duración inferior a dos días. En diciembre de 1963 GPO informa que probablemente la nave Gemini III sea lanzada con un sistema de baterías, esta iba a ser la primera misión tripula del programa y en él las pilas de combustible se debían someter a una carga de prueba. Y en enero de 1964 se revisa el calendario de desarrollo de las pilas de combustible y se discute el nuevo diseño mejorado para ser incorporado en la Gemini V, empleándose baterías en los lanzamientos 3 y 4.

Corrían rumores de que la NASA iba a tener que limitar todas las misiones Gemini a dos días de duración debido a los problemas con las pilas de combustible. Los contratiempos no cesaban. A principios de octubre de 1963, GE llevó a cabo una serie de ensayos demostrando que en condiciones óptimas la vida útil de las pilas de combustible sobrepasaban las 600 horas. Sin embargo, modificaciones en el sistema de refrigeración de la nave provocaron el aumento de la temperatura de funcionamiento de los stacks lo que causó una drástica disminución de la durabilidad de las pilas de combustible. Su vida se había reducido a entre 150 y 250 horas. Y claro, la NASA no era ajena a todos estos rumores y retrasos. Por ello, George E. Mueller, Administrador Adjunto Asociado de la NASA para vuelos espaciales tripulados, encargó a tres ingenieros de los Laboratorios Bell visitar General Electric para evaluar el estado de desarrollo del programa de pilas de combustible. Los expertos de Los Laboratorios Bell hicieron la visita a la planta de General Electric entre los días 29 y 30 de octubre y llegaron a la conclusión de que los problemas de las pilas de combustible no eran conceptuales. Las pilas de combustible eran a su juicio la mejor elección para misiones orbitales de larga duración, muy por encima del uso de baterías. El problema había tenido lugar a la hora de pasar del concepto a la realidad debido a que las técnicas y los conocimientos aún no estaban completamente desarrollados, agravado todo ello por una gestión deficiente.

Lanzamiento de la Gemini 7

Lanzamiento de la Gemini 7 mediante el cohete lanzador Titan II

En julio de 1964 se ensayan las nuevas pilas de combustible que incorporan los nuevos materiales y que deberían ir finalmente en la misión de larga duración Gemini V dando como resultado una rápida desintegración de la salida, no hay potencia. En agosto se hacen más ensayos y se observa un pobre rendimiento de los sistemas, de hecho, dos de las celdas no son capaces de dar los 6 A. Además, las muestras de agua recogidas durante el ensayo son extremadamente ácidas lo que indica un fallo en la membrana. En este punto, no hay pila de combustible que pueda ser embarcada en ningún lanzamiento. Comienza una nueva investigación que determina que el fallo se vuelve a encontrar en las mechas las cuales han tocado la membrana lo que ha provocado en último término que electrolito se haya eliminado de las mismas y por ello el agua producida era tan ácida. La solución parece pasar por emplear mechas más finas.

En septiembre de ese mismo año la Oficina del Proyecto toma tres importantes decisiones en lo que a las pilas de combustible respecta. En primer lugar, se propuso combinar pilas de combustible y baterías, de manera que las baterías se emplearían durante los picos de potencia, mientras que las pilas de combustible suministrarían energía de forma estacionaria. En segundo lugar se decide finalmente sustituir las pilas de combustible de la misión Gemini IV por baterías. Y por último, en el vuelo de la Gemini II se montaría la pila de combustible antigua a fin de certificar el sistema de suministro de reactantes.

Pila de combustible de las misiones Gemini

Pila de combustible empleada en las misiones Gemini

Finalmente, y tras aludir también problemas con la potabilidad del agua obtenida en los ensayos debido a su elevada acidez, se logra una pila de combustible viable. La nave Gemini contaría con dos plantas de potencia a base de pilas de combustible de 1 kW cada una, consistentes en 3 stacks de 32 celdas. Si bien, la potencia media generada durante los vuelos de las misiones Gemini fue de 620 W. El ánodo y el cátodo consistían en planchas de titanio sobre las que se depositaba Pt con PTFE a razón de, agarraos los machos, 28 mg de Pt/cm2. Hoy en día para que os hagáis una idea las cargas de Pt en los electrodos de pilas de hidrógeno están en el entorno de 0.05 mg de Pt/cm2 en el ánodo y 0.5 mg de Pt/cm2 en el cátodo. Pero bueno, la tecnología estaba iniciandose.

Tripulación de la Gemini V

Tripulación de la Gemini V. Charles Conrad (piloto, izquierda) y Gordon Cooper (comandante, derecha)

Una vez parece que las pilas de combustible no dan problemas y se comportan de forma estable, se instala la primera en la Gemini V para pasar las pruebas pertinentes durante la primavera de 1965. Se producen varios fallos de las pilas de combustible y hubo que hacer algunos reemplazos y modificaciones, pero en junio de 1965 se lleva a cabo una prueba general con todos los sistemas y el resultado es positivo. Por fin, después de muchos problemas y retrasos una pila de combustible completamente funcional viajará a bordo de una nave Gemini. El 21 de agosto de 1965 despega la Gemini V y con ella el uso de pilas de combustible en misiones espaciales. Las pilas de combustible fueron utilizadas en 7 misiones del programa Gemini, y posteriormente fueron empleadas, aunque con notables modificaciones respecto a las del programa Gemini, tanto en el programa Apolo como en el Trasbordador Espacial.

P.D.: Hubo problemas con las pilas de combustible en diversos vuelos de las naves Gemini, pero se solventaron y desde entonces son una constante en las misiones espaciales.

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