El RD-180 es notable no solo por las peculiaridades geopolíticas de su ascenso a la prominencia, sino porque fue en muchos aspectos simplemente mejor que cualquier otro motor de cohete de su época. Cuando, en febrero de 2019, Elon Musk anunció una prueba exitosa del motor Raptor de SpaceX, destinado a impulsar el cohete de próxima generación Starship de la compañía, se jactó de las altas presiones alcanzadas en la cámara de empuje del Raptor: más de 265 veces la presión atmosférica a nivel del mar. El Raptor, dijo en Twitter, había superado el récord mantenido durante varias décadas por el «impresionante RD-180 ruso».

Después de que Rusia se anexionara Crimea en 2014, los días del RD-180 como elemento básico de la cohetería estadounidense estaban contados. Los halcones de la defensa se sentían incómodos con el acuerdo, pero el motor era muy bueno y, dada su capacidad, barato, y así se mantuvo. Pero a medida que las relaciones con Rusia se fueron deteriorando, los opositores del motor en el Congreso, liderados por el senador John McCain, lograron aprobar una prohibición del uso del motor en cohetes estadounidenses después de finales de 2022. Esto ha obligado a la Fuerza Aérea a encontrar un nuevo cohete que suceda al Atlas 5 con motor RD-180.

Todo esto plantea una pregunta: ¿Cómo un motor ruso de hace décadas se ha convertido en el listón con el que se miden los mejores científicos de cohetes de Estados Unidos?

Si se quiere entender qué ha hecho que el RD-180 sea un motor tan bueno, ayuda a comprender que hay mucho oficio implicado. Aunque cientos de personas colaboran en los motores de cohetes, es vital tener a alguien con instinto para el buen diseño: las compensaciones son demasiado complejas para ser resueltas por la fuerza bruta o por el comité. En el caso del RD-180, esa persona se llamaba Valentin Glushko.

Después de que la URSS perdiera frente a Estados Unidos en la carrera a la Luna, el diseño del mejor motor de cohete posible se convirtió en «una prioridad nacional», según Vadim Lukashevich, ingeniero aeroespacial e historiador espacial ruso. Los dirigentes soviéticos querían construir el cohete más potente del mundo, el Energia, para sostener sus estaciones espaciales en la órbita terrestre y elevar el Buran, un futuro transbordador espacial ruso. Glushko recibió recursos para construir el mejor motor que pudiera, y se le daba bien construir motores. El resultado fue el RD-170, el hermano mayor del RD-180.

El RD-170 fue uno de los primeros motores de cohete en utilizar una técnica llamada combustión por etapas. El motor principal del transbordador espacial estadounidense, también desarrollado en los años 70, fue otro. En cambio, los motores F-1 de la primera etapa del cohete Saturno V, que lanzó el Apolo a la Luna, eran de un diseño más antiguo y sencillo llamado motor generador de gas. La diferencia clave: los motores de combustión por etapas pueden ser más eficientes, pero corren mayor riesgo de explotar. Como explica William Anderson, que estudia los motores de cohetes alimentados por líquido en la Universidad de Purdue, «las tasas de liberación de energía son simplemente extremas». Hace falta alguien con una imaginación realmente astuta, dice Anderson, para entender las locuras que ocurren dentro de las cámaras de combustión de los motores cohete. En Rusia, esa persona astuta era Glushko.

«Se había invertido tanto en el transbordador que nadie en la NASA quería hablar de desarrollar un motor de combustión por etapas rico en oxígeno… El oxígeno quemará la mayoría de las cosas si se le proporciona una chispa.»

Para entender por qué los motores de Glushko fueron un logro de la ingeniería, tenemos que ponernos un poco técnicos.

Hay dos medidas clave del rendimiento de un cohete: el empuje, o la cantidad de fuerza que ejerce un cohete, y el impulso específico, una medida de la eficiencia con la que utiliza sus propulsores. Un cohete con un alto empuje pero un bajo impulso específico no alcanzará la órbita: tendría que llevar tanto combustible que el peso del mismo requeriría más combustible, y así sucesivamente. A la inversa, un cohete con un alto impulso específico pero un bajo empuje nunca abandonaría el suelo. (Sin embargo, este tipo de cohetes funcionan bien en el espacio, donde basta con un empuje constante.)

Un motor de cohete, al igual que un motor a reacción de avión, quema combustible junto con un oxidante -a menudo oxígeno- para crear un gas caliente que se expande hacia abajo y fuera de la boquilla del motor, acelerando el motor en sentido contrario. A diferencia de los motores a reacción, que obtienen el oxígeno del aire que los rodea, los cohetes necesitan llevar su propio oxígeno (u otro oxidante), ya que en el espacio, por supuesto, no hay ninguno. Al igual que los reactores, los cohetes necesitan una forma de forzar el combustible y el oxígeno en la cámara de combustión a alta presión; en igualdad de condiciones, una mayor presión significa un mayor rendimiento. Para ello, los cohetes utilizan turbobombas que giran a cientos de vueltas por segundo. Las turbobombas son impulsadas por turbinas y éstas, a su vez, por prequemadores, que también queman parte del combustible y del oxígeno.

La diferencia crucial entre los motores de combustión por etapas, como el RD-180, y los motores generadores de gas, como el F-1 de Saturno, radica en lo que ocurre con los gases de escape de esos prequemadores. Mientras que los motores generadores de gas lo tiran por la borda, los motores de combustión por etapas lo reinyectan en la cámara de combustión principal. Una de las razones para hacerlo es que los gases de escape contienen combustible y oxígeno no utilizados: los prequemadores no pueden quemarlo todo. Tirarlo es un desperdicio, lo cual es importante en un cohete que también tiene que levantar cada libra de combustible y oxígeno que va a utilizar. Pero reinyectar los gases de escape implica equilibrar delicadamente las presiones y los caudales pertinentes para que los motores no exploten. Se necesita toda una serie de turbobombas para que funcione. Los equipos de expertos suelen necesitar una década o más de simulación y pruebas para averiguar cómo hacerlo bien.

El RD-170 y el RD-180 tienen otra ventaja. Son ricos en oxígeno, lo que significa exactamente lo que parece: inyectan oxígeno adicional en el sistema. (El motor principal del transbordador espacial, por el contrario, es un motor rico en combustible). Los motores ricos en oxígeno tienden a arder de forma más limpia y a encenderse más fácilmente. También permiten una mayor presión en la cámara de combustión y, por tanto, un mayor rendimiento, pero son más propensos a explotar, por lo que durante décadas no se realizaron grandes esfuerzos para hacerlos funcionar en Estados Unidos. «Se había invertido tanto en el transbordador que nadie en la NASA quería hablar de desarrollar un motor de combustión por etapas rico en oxígeno», dice Anderson. «El oxígeno quemará la mayoría de las cosas si se le proporciona una chispa». Esto requiere un gran cuidado en los materiales utilizados para construir el motor, y un cuidado aún mayor para asegurarse de que ningún material extraño -como motas de residuos metálicos- se introduzca en él. «Cuanto más aprendemos sobre la física de lo que ocurre dentro de una cámara de combustión, más nos damos cuenta de lo inestable que es en realidad», dice Anderson.

Si el RD-170 fue posiblemente el mejor motor de cohete de su generación, el motor principal del transbordador espacial fue posiblemente el segundo mejor (y fue sustancialmente más caro de fabricar). Ninguno de los dos estuvo a la altura de su potencial. El motor del transbordador espacial estaba atascado en un vehículo que era mucho más engorroso de lo que sus diseñadores esperaban. El RD-170, por su parte, sólo voló dos veces: una en 1987 y otra en 1988. Aunque su desarrollo había sido una prioridad nacional, para cuando Glushko demostró que funcionaba, la Unión Soviética estaba a punto de desmoronarse.

Los años 90 fueron una época turbulenta en Rusia, especialmente para el programa espacial. Para sobrevivir sin la financiación del gobierno, las empresas aeroespaciales recién privatizadas se volcaron en el mercado comercial.

Es entonces cuando Jim Sackett, un ingeniero que había estado trabajando para Lockheed en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, se trasladó a Moscú. Lockheed se interesó por el uso de la combustión escalonada rica en oxígeno para impulsar la siguiente generación de cohetes Atlas, con los que planeaba competir por los contratos de la Fuerza Aérea y la NASA.

Sackett, que fue puesto a cargo de la oficina de Lockheed en Moscú, recibió el encargo de ponerse en contacto con Energomash, una empresa de la industria espacial postsoviética que llegó a poseer el RD-170 y la tecnología de motores relacionada. Energomash acogió con entusiasmo el interés de Lockheed. Pero el RD-170 era demasiado potente: los cohetes Atlas que Lockheed quería enviar al espacio eran considerablemente más pequeños que el Energia, para el que se había diseñado el RD-170. Así que Energomash redujo el motor a la mitad: la empresa elaboró una propuesta para un derivado de dos cámaras del RD-170 de cuatro cámaras que pudiera utilizarse en el Atlas. Este fue el nacimiento del RD-180.

La relación requirió una notable integración entre los contratistas militares-industriales rusos y estadounidenses. Lockheed estableció una oficina en Energomash, en un suburbio de Moscú. Era una operación enorme, recuerda Sackett. «Tienen una planta metalúrgica allí, así que forjan sus propios metales», dice. «Tienen todos sus propios talleres mecánicos, todas sus propias instalaciones de pruebas. Son muchas cosas, todas bajo el mismo techo. Y al final, todo ello se convierte en un motor de cohete».

Hizo falta cerca de un año de reuniones técnicas diarias y exhaustivas entre el equipo de Sackett y los ejecutivos e ingenieros de Energomash para entender si las compras propuestas de motores RD-180 funcionarían o no. Lockheed quería un acuerdo pequeño y sin compromiso. Energomash quería un acuerdo a largo plazo. El contrato se firmó al final de una sesión maratoniana de seis horas en 1996, dice Sackett. El resultado: un acuerdo de 101 motores y mil millones de dólares.

La Fuerza Aérea de EE.UU., principal cliente de Lockheed, exigió el acceso a 10 tecnologías clave necesarias para producir el RD-180, en caso de que las relaciones con Rusia fracasaran y Estados Unidos tuviera que fabricar los motores por sí mismo. Era una petición importante. Estados Unidos quería una joya de la corona de la tecnología espacial soviética, y el gobierno ruso no estaba encantado. «Pero no vieron otra alternativa», dice Sackett, «porque el país no sólo cambió de opinión, sino que se arruinó. Simplemente se arruinó. Así salvaron la empresa».

Aunque se ha prestado más atención a la cooperación ruso-estadounidense en la Estación Espacial Internacional, en muchos aspectos la colaboración del RD-180 fue más profunda. Después de todo, la estación espacial no es crucial para la seguridad nacional de ninguno de los dos países, mientras que los satélites de reconocimiento y comunicaciones sí lo son.

Ahora que las relaciones entre los dos países se han deteriorado, argumenta Sackett, Estados Unidos podría simplemente fabricar el RD-180 en su país. Los críticos del motor dicen que sería astronómicamente caro hacerlo. Pero el coste «no debería ser astronómico». dice Sackett. «¡Tenemos gente inteligente aquí, y tenemos la receta! Precisamente por eso identificamos y negociamos esas 10 tecnologías clave de fabricación, para poder tomar los planos y las notas y luego ir a construirlos».

No es probable que eso ocurra, en parte porque después de décadas de estancamiento, las empresas estadounidenses están trabajando por fin en motores que podrían ser mejores que el RD-180.

El rendimiento de un motor influye profundamente en el diseño del cohete que está encima. Por eso, cuando el Congreso ordenó que las Fuerzas Aéreas dejaran de utilizar el RD-180, esto provocó una competencia no sólo por un nuevo motor, sino por un cohete completamente nuevo. Esta competición era inevitable, ya que los diseños no son eternos. Pero como el diseño de nuevos motores y cohetes es costoso y lleva mucho tiempo, el momento de hacer un cambio siempre es políticamente controvertido. La prohibición del RD-180 impuesta por el Congreso forzó la cuestión.

Hay cuatro competidores serios para construir ese nuevo cohete: SpaceX, Blue Origin, United Launch Alliance (una empresa conjunta de Boeing y Lockheed Martin conocida por sus siglas, ULA) y Northrop Grumman. Se elegirá a dos de ellas, con la teoría de que tener dos ganadores crea una competencia continua, mientras que nombrar a uno daría lugar a un monopolio que luego podría darse la vuelta y gafar al Ejército del Aire. Miles de puestos de trabajo están en juego: si ULA pierde, podría quebrar.

El New Glenn, la entrada de Blue Origin en la competición, utiliza el BE-4, el motor más nuevo y potente de Blue Origin. (Al igual que el cohete de ULA, ambas empresas son simultáneamente competidoras y socias comerciales). Los diseños del BE-4 y del Raptor de SpaceX se basan en el RD-180 en aspectos cruciales. El BE-4 es un motor de combustión por etapas rico en oxígeno, como el RD-170 y el RD-180. El Raptor, por su parte, se asemeja al RD-180 en el sentido de que introduce los gases de escape del prequemador en la cámara de combustión, garantizando que casi todo el combustible y el oxidante almacenados en los depósitos del cohete se utilicen para generar empuje. Sin embargo, el Raptor se basa en una modificación del enfoque de Glushko: tanto los flujos ricos en combustible como los ricos en oxidante alimentan sus turbobombas, lo que teóricamente resulta en una eficiencia máxima.

En cierto modo, el BE-4 y el Raptor son como un intento de construir un violín mejor que el de Stradivarius, utilizando métodos modernos. Blue Origin y SpaceX tienen acceso a mejores diagnósticos y a técnicas de simulación más sofisticadas que las de Glushko. También tienen otra característica de diseño importante para la Fuerza Aérea estadounidense: están fabricados en los Estados Unidos.

Posiblemente la mayor ventaja técnica que tienen estos nuevos motores sobre el RD-180 es que utilizan metano como combustible en lugar de queroseno, como hace el RD-180. El queroseno puede ensuciar el funcionamiento de un motor después de su uso repetido. El metano tiene un mayor impulso específico y su combustión es más limpia. También es mucho más fácil (en principio) de sintetizar en Marte, algo que Musk pretende hacer.

Ninguno de los dos nuevos motores ha llegado aún a la órbita. SpaceX está planeando vuelos de prueba de su cohete Starhopper, que finalmente será impulsado por tres Raptors, para este verano. Estos vuelos serán de corta duración, a unos pocos miles de metros de altura sobre el centro de pruebas de SpaceX en Texas. Blue Origin también está probando el BE-4 en Texas, y ha empezado a construir una fábrica en Alabama donde fabricará los motores. Ha alquilado a la Fuerza Aérea el Complejo de Lanzamiento 36, donde el RD-180 tomó vuelo por primera vez, y planea lanzar allí el New Glenn en 2021.

Energomash, mientras tanto, espera desesperadamente que el programa espacial ruso vuelva a utilizar sus motores. Alrededor del 90% de su producción se ha ido a Estados Unidos en los últimos años, dice Pavel Luzin, un analista de la industria espacial rusa. Al igual que sus homólogos estadounidenses, Energomash corre ahora el riesgo de quedar obsoleta por Musk y Bezos, quienes, con su libertad de las limitaciones de diseño heredadas y su voluntad de gastar dinero y asumir riesgos, han sacado por fin el diseño de motores de cohetes de décadas de estancamiento.