Válvulas en el Espacio que Regresan a la Tierra

¡Válvulaaaaaas en el ESPAAAAAAAACIO!

Las válvulas desempeñan un papel fundamental en la exploración espacial, controlando el flujo de fluidos y gases dentro de las naves espaciales y otros sistemas orbitales. Estos componentes son esenciales para la gestión de los sistemas de soporte vital, la propulsión y el manejo de fluidos criogénicos. Sin embargo, también plantean desafíos importantes, ya que cualquier mal funcionamiento o fuga puede tener consecuencias nefastas. La misión Apolo 13 es un ejemplo esclarecedor: una válvula defectuosa en el sistema del tanque de oxígeno contribuyó a la explosión que casi termina en desastre. De igual manera, la explosión de la nave SpaceX Dragon en 2019, donde una válvula defectuosa en el sistema de propulsión de la nave espacial provocó una fuga catastrófica de propelente durante una prueba en tierra. Una sola fuga en una válvula puede provocar la pérdida de fluidos o gases críticos, poniendo en peligro el funcionamiento de una nave espacial y la vida de su tripulación. Abordar estas vulnerabilidades es vital, ya que los riesgos en el espacio son muchísimo mayores que en la Tierra.

Los ingenieros han empleado numerosos protocolos de prueba, simulando condiciones extremas, rigurosas fluctuaciones de temperatura e incluso realizando pruebas en cámaras de vacío para validar la fiabilidad de las válvulas. La consideración de los avances en la ciencia de los materiales, como el uso de aleaciones, polímeros y empaques resistentes a la corrosión y a la temperatura, ha mejorado significativamente la confiabilidad. Sin embargo, la válvula tradicional aún presenta un defecto fatal: un vástago dinámico que atraviesa el límite de presión de la válvula, generando presión atmosférica. Muchos intentos de monitorear fugas en estas posibles vías de fuga han ayudado a identificar el problema, pero a veces es demasiado tarde.

A pesar de estos avances, la complejidad de los sistemas de válvulas sigue representando un desafío significativo y a menudo se considera una grieta en la armadura. Pero ¿qué pasaría si esa abertura, esa herida, ese sello dinámico que requiere que el empaque se comprima alrededor del vástago de la válvula pudiera eliminarse por completo? En ese caso, la actuación magnética de la válvula puede eliminar por completo la posible vía de flujo hacia el exterior, permitiendo una válvula herméticamente sellada. Mediante un acoplamiento magnético, se puede accionar una válvula a través de la pared sólida del cuerpo de la válvula, eliminando así cualquier vía de fuga (o herida).

La realidad de los sistemas de circuito cerrado en el espacio

Los sistemas de tuberías suelen considerarse "sistemas de circuito cerrado" para garantizar la conservación de recursos y la eficiencia operativa. Las bridas se sueldan para eliminar incluso los sellos estáticos. Sin embargo, el término "circuito cerrado" puede ser engañoso, ya que las válvulas tradicionales suelen tener fugas a la atmósfera a través de sus vástagos. Esto es especialmente cierto en condiciones de temperaturas y presiones extremas y al manipular fluidos, como el hidrógeno líquido o el helio. El vástago de la válvula es un sello dinámico del que dependen las organizaciones, incluso si han soldado el resto del sistema para cerrarlo. Cualquiera que esté familiarizado con una planta de procesamiento criogénico ha visto válvulas encerradas en un bloque de hielo alrededor del vástago, por donde el líquido superenfriado escapa a la atmósfera. En la Tierra, las fugas en los sistemas, aunque no son ideales, pueden solucionarse rellenando los tanques; en comparación con el espacio, parece tan sencillo como "dar marcha atrás con el camión y rellenar el tanque de helio líquido". Esto no es un lujo posible en el vacío del espacio. Esto subraya la necesidad de avances tecnológicos que puedan eliminar las fugas por completo. El accionamiento magnético ofrece una solución innovadora al eliminar por completo la vía de fuga. El fluido del proceso queda completamente aislado de la atmósfera, creando un sistema de circuito cerrado, herméticamente soldado, sin necesidad de sellos estáticos ni empaquetaduras en muchos casos. Los diseños de sistemas criogénicos de circuito cerrado en el vacío espacial presentan un defecto fatal si dependen de válvulas tradicionales de accionamiento externo que permiten fugas a través del vástago de la válvula hacia la atmósfera. Considere lo siguiente: ¿qué sería posible si las válvulas estándar tuvieran fugas de 0,000 partes por millón a la atmósfera?

Revolucionando la tecnología de válvulas para el espacio

La tecnología de accionamiento magnético ejemplifica la innovación en la gestión de fugas en válvulas. Desarrollada inicialmente durante el proyecto del módulo de aterrizaje planetario Morpheus II, una válvula accionada por MagDrive se selló herméticamente y se diseñó para manipular helio líquido a temperaturas extremadamente frías. El helio líquido es notoriamente difícil de manejar debido a su baja viscosidad y alta volatilidad. El helio líquido en la línea de proceso se encontraba por debajo de la temperatura criogénica extrema de -269 °C (o -452 °F), presurizado a 3500 PSI y circulando por la válvula a velocidades supersónicas en vacío atmosférico. Esta es la fórmula ideal para un vástago de válvula con fugas, que se considera uno de los elementos más difíciles de sellar, especialmente al utilizar una válvula estándar que utiliza empaquetadura. Los intentos iniciales para sellar este desafío utilizaron un separador de 1.8 metros con diversas empaquetaduras para sellar una válvula de aguja de 6 mm. El motor necesario para accionar esta válvula era de gran tamaño y requería una gran potencia solo para superar la fricción estática de la empaquetadura, que aún presentaba fugas. Al aplicar la actuación magnética, la válvula quedó herméticamente sellada y las emisiones se redujeron a cero. Esto marcó un avance significativo en la tecnología de válvulas. Al emplear la actuación magnética, el diseño elimina el sello de vástago tradicional, que es la principal fuente de fugas. Este desarrollo no solo eliminó la vía de fuga a la atmósfera, sino que también redujo el tamaño de la válvula, ya que el separador de 1.8 metros ya no era necesario para aislar la empaquetadura de las temperaturas extremadamente frías. Con la eliminación de la empaquetadura, se hizo otro descubrimiento: la potencia requerida para accionar la válvula se redujo significativamente. Ya no existía fricción estática entre el vástago de la válvula y la empaquetadura, que debía superarse con un enorme par aplicado al vástago. La capacidad de MagDrive para mantener un sellado hermético en condiciones tan extremas demuestra su potencial para transformar los sistemas de control de fluidos para viajes espaciales y en diversas industrias.

Con los pies en la tierra

El éxito de la actuación magnética en la contención de fluidos criogénicos para aplicaciones espaciales ha inspirado usos más amplios en industrias como la del petróleo y el gas, el procesamiento químico, el metano y el hidrógeno. Estos sectores a menudo enfrentan desafíos similares: fluidos complejos que deben manejarse con altas presiones, temperaturas extremas y la necesidad de prevenir emisiones. Si bien este no ha sido un tema nuevo de discusión sobre estos desafíos, siguen siendo esenciales. La Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático se reunió en París para la COP21, y esta fue la primera vez que vimos a 196 países unirse en un tratado internacional para combatir el cambio climático. Sin embargo, todo depende de los esfuerzos y compromisos de los países para reducir las emisiones y lograr un impacto global. Durante la COP27, Estados Unidos lanzó la iniciativa "Net-Zer Government", a la que se han unido otros 18 países.

Estos complejos desafíos se denominan, de forma más genérica, "Emisiones Fugitivas", ya que cualquier cosa que se escape sin estar diseñada para permitir el escape es un fugitivo. Reducir las emisiones fugitivas se ha convertido en un objetivo prioritario para prácticamente todas las industrias del planeta. Con la presión adicional sobre el medio ambiente, las exigencias de los inversores y las partes interesadas en la participación en mejoras ambientales han sido prioritarias en muchas decisiones. En los últimos años, las iniciativas corporativas se han centrado cada vez más en la eliminación de estas emisiones no deseadas. Dado que casi el 50 % de las emisiones fugitivas provienen de válvulas, una cantidad significativa de las emisiones fugitivas de una instalación puede eliminarse mediante la instalación de un actuador magnético. Cada libra o kilogramo de producto que se escapa representa una pérdida de dinero, incluyendo el coste de la materia prima y el tiempo, la energía y los recursos ya invertidos en su producción. Menos evidentes son los mayores costes de mantenimiento y operación asociados a los programas de detección de fugas deficientes. A pesar de estos costes, y además de los beneficios directos de la reducción de emisiones al medio ambiente, también existen beneficios financieros para las empresas operadoras.

Al adaptar la tecnología originalmente concebida para el espacio, el actuador magnético ofrece una solución que elimina las fugas, mejora la fiabilidad del sistema y reduce el impacto ambiental. Durante el último año, se ha aplicado la actuación magnética en múltiples instalaciones, eliminando las emisiones fugitivas que normalmente se habrían liberado a la atmósfera, incluso con la mejor tecnología de bajas emisiones del mercado. Las válvulas accionadas magnéticamente pueden mitigar los riesgos asociados a fugas y emisiones, garantizando prácticas más sostenibles. La transición de esta tecnología de la era espacial a las industrias terrestres pone de relieve el profundo impacto que esta innovación, inicialmente diseñada para el espacio, puede tener en el planeta.