De la tierra al espacio

Etxebeste Aduriz, Egoitz

Elhuyar Zientzia

Siempre ha existido la curiosidad del ser humano por viajar, por descubrir nuevos lugares. Empieza por los continentes, luego el mar, el cielo y el espacio. El espacio, la última conquista del ser humano. Cuando no es directamente posible, enviándonos testigos que nos sirvan para obtener información, pero los planetas, satélites y asteroides se han convertido en objetivos y metas importantes.
De la tierra al espacio
01/03/2007 | Etxebeste Aduriz, Egoitz | Elhuyar Zientzia Komunikazioa

Lanzamiento del cohete Soiuz TMA-6.
ANDÉN
El primer obstáculo para viajar al espacio está en la Tierra. Y no es el menor obstáculo. Se dice que en la Tierra estamos en un pozo de gravedad, es decir, estamos muy cerca de una masa grande y tenemos que superar la fuerza de gravedad que esa masa (la Tierra) nos produce si queremos abandonar la Tierra.

Para ello es necesario obtener una energía cinética capaz de hacer frente a esta energía potencial, o lo que es lo mismo, una velocidad que permita hacer frente a la gravedad. Se denomina velocidad de escape a la velocidad mínima necesaria para salir de un campo gravitatorio y en superficie es de 11,2 km/s. Es decir, si a un cuerpo en superficie se le da esa velocidad, tendrá la energía cinética suficiente para escapar del campo gravitatorio de la Tierra.

Para superar este primer problema se necesita un gran cohete lleno de reyes hasta el cuello. De hecho, el combustible necesario para el envío de una carga al espacio pesa más que la propia carga.

Quemando este combustible, el gas caliente sale dirigido en una dirección y a alta velocidad, y por reacción de acción consigue el empuje que el cohete va hacia arriba. El cohete no arranca a una velocidad de 11,2 km/s, pero al seguir quemando combustible en el camino, se va consiguiendo más energía cinética y con ello suficiente arranque de menor velocidad.

Pero los cohetes sólo sirven para viajar de ida. No se pueden reutilizar. A medida que avanzan en el viaje, las partes se van liberando para reducir peso y aumentar la velocidad, y terminan perdidas en el mar, en la órbita de la Tierra o en el espacio. No se recuperan.

Los rusos, por ejemplo, utilizan cohetes de Soyuz para trasladar a los astronautas a la Estación Espacial Internacional (ISS), para posteriormente aterrizar en una cápsula. En los cohetes Soiuz pueden ir 3 astronautas y en cada viaje hay que utilizar un cohete nuevo.

El transbordador Columbia aterriza.
ANDÉN

Los estadounidenses, por su parte, utilizan transbordadores espaciales para realizar viajes de ida y vuelta. A diferencia de los cohetes, en cierta medida son reutilizables. El lanzamiento se realiza de la misma manera que los cohetes, pero son capaces de aterrizar como aviones, por lo que pueden ser utilizados repetidamente. Las transbordadoras de la NASA están diseñadas para un centenar de vuelos, con capacidad para 5-7 astronautas por viaje. Sin embargo, desde el accidente de Columbia en 2003 se encuentran en declive y prácticamente fuera de uso. Además, según declaraciones de la NASA de 2004, se prevé la retirada de los transbordadores para 2010 y su sustitución por barcos espaciales de Orio en fase de desarrollo. Y esas nuevas naves espaciales servirán para ir primero a la Luna y después a Marte.

Pero tanto los vuelos de los cohetes Soiuz como los de los transbordadores espaciales suelen ser orbitales, es decir, no van más allá de la órbita terrestre. En la actualidad, son los únicos viajes que realiza el ser humano.

Primera parada: La luna

Dejando atrás los viajes orbitales, la parada más cercana del espacio es la Luna. De hecho, también se encuentra en la órbita de la Tierra.

Imagen tomada por la sonda Voyager 2 a Neptuno.
ANDÉN
Hace casi 40 años que el hombre llegó a la Luna, pero desde entonces la tecnología de los cohetes no ha cambiado mucho, dejando de lado la electrónica. Además, el Saturn V, utilizado en las misiones Apollo que llevó al hombre a la Luna, ha sido el cohete más grande y poderoso jamás utilizado. No se ha utilizado con posterioridad.

En la actualidad casi todas las agencias espaciales tienen proyectos para volver a la luna. Las agencias espaciales europeas, chinas, japonesas y estadounidenses tienen previsto ir a la luna hacia el año 2020. Y también los indios y los rusos en 2030. Pero no sólo hablan de ir, sino de quedarse allí, porque tienen planes para construir una base fija. Los japoneses quieren hacer la base para 2030, mientras que los chinos y estadounidenses afirman que es posible que esté hecha para 2024. Ahora están tratando de llegar a acuerdos internacionales.

La NASA y la ESA también miran más allá de la Luna y ven a la Luna como un paso intermedio hacia Marte. El programa Aurora de la ESA, por ejemplo, tiene entre sus objetivos llegar a Marte en 2030.

A los planetas

Pero, de momento, sólo las sondas espaciales viajan a los planetas. Estas sondas se colocan en el extremo de los cohetes para poder salir del suelo. Es decir, el cohete es el encargado de dar velocidad a la sonda y después, una vez salido de la influencia de la Tierra, el cohete se puede dejar atrás y ir por inercia hasta donde se quiera. Pero para ello es necesario dar la dirección adecuada. Y en eso hay que estar muy fino, ya que el tamaño de los planetas es muy pequeño comparándolo con su órbita.

Hace 40 años que en la misión Apollo XI el hombre llegó a la Luna.
ANDÉN

Para que la sonda llegue al objetivo deseado, mediante simuladores de gravedad realizan cálculos muy precisos. Estos simuladores simulan el recorrido de la sonda, teniendo en cuenta la gravedad de todos los demás planetas y masas, calculando además de la dirección a dar a la sonda el tiempo exacto de lanzamiento. A esto se le llama ventana de lanzamiento.

Sin embargo, la propia sonda también tiene pequeños propulsores para realizar correcciones de dirección. Por lo tanto, el cohete le da velocidad y dirección, pero luego se pueden hacer correcciones en el camino.

Carambolas sin impacto

Como ya se ha indicado, el envío de una sonda a un planeta debe tener en cuenta la fuerza de gravedad de los planetas que van a actuar a lo largo del camino. Pero no sólo se tiene en cuenta, también se puede utilizar el campo gravitatorio de los planetas para conseguir una mayor velocidad. Es lo que se llama ayuda gravitatoria. Por ejemplo, la ayuda gravitatoria de Júpiter y Saturno puede ser muy útil para ir a Urano.

Para beneficiarse de la ayuda gravitatoria es necesario dirigir la sonda por detrás de un planeta de gran masa. Es decir, hacer pasar la sonda por el punto que acaba de pasar el planeta en su órbita. De este modo, el planeta atraerá y, por tanto, le dará velocidad. Una vez alcanzada la velocidad, puede saltar al siguiente planeta como si fuera un juego espacial de billar. Además, esta forma de viajar permite observar varios planetas en una misma misión.

(Foto: ANDÉN)
La ayuda de los planetas fue uno de los grandes éxitos de la NASA en la misión Voyager. Las sondas Voyager 1 y Voyager 2 fueron enviadas en 1977 con el objetivo de profitarse con la inusual ubicación de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. El primero visitó Júpiter y Saturno, sus lunas Io y Titán. Para observarlo tuvo que abandonar el camino hacia Urano, y en la actualidad es el que más lejos ha llegado del Sol en objetos creados por el hombre.

Por su parte, la sonda Voyager 2 abandonó Titán y, además de Júpiter y Saturno, visitó Urano y Neptuno en 1986 y 1989. El Voyager 2 es el único que ha visitado estos dos últimos planetas.

El apoyo gravitatorio es tan útil que en ocasiones el viaje puede iniciarse en sentido contrario. Para enviar a Saturno Cassini-Huygens, fue enviado primero a Venus. Allí recibió la ayuda gravitatoria en dos ocasiones y luego, con la ayuda de la Tierra y de Júpiter, se sirvió para llegar a Saturno.

En este momento, la sonda New Horizons acaba de contar con la ayuda de Júpiter, o lo está haciendo para llegar a Plutón y Karon. Eso sí, mientras está cerca de Júpiter, está sacando fotos para estudiar aquel planeta y sus cuatro lunas más grandes. Este trabajo, que se prolongará hasta junio, espera llegar a Plutón para el año 2015. Si no contara con la ayuda de gravitación de Júpiter, tardaría cuatro años más en llegar a Plutón.

Próxima parada: ¿Marte?

El cuerpo humano no es capaz de vivir sin gravedad durante mucho tiempo.
ANDÉN

Aunque las sondas espaciales han llegado muy lejos, en el caso del hombre las cosas se complican mucho. Tras volver a la Luna, las agencias espaciales han marcado el siguiente objetivo en Marte. Pero no será fácil. De hecho, la misión de aquí a Marte puede ser casi dos años. Hoy en día, eso significa que los astronautas deberían vivir dos años sin gravedad. Y el cuerpo humano no es capaz de vivir sin gravedad durante tanto tiempo.

En ausencia de gravedad, los huesos pierden calcio, los músculos se atrofian, el sistema cardiovascular se ralentiza, se forman menos glóbulos rojos y el sistema inmunológico se debilita, entre otras cosas. De hecho, muchas veces se menciona que la falta de gravedad se asemeja a los procesos que se producen con la edad. Por tanto, este tipo de viajes requeriría de buques espaciales que generan gravedad artificial. Pero, de momento, no existe.

Los que sueñan con ir a los planetas como turistas, por lo que tendrán que enfrentarse, de momento, a la realización de vuelos orbital. Y para ello deberán mantener el bolsillo caliente. La Agencia Espacial Rusa ofrece viajes espaciales por 15 millones de euros y todos los vuelos hasta 2009 están ocupados.

Un paseo por el espacio

El primer turista del espacio fue Dennis Tito, quien pasó siete días en la ISS en 2001. Han sido y serán más. Además, hay muchos empresarios que han escuchado dinero en viajes espaciales y hay varios proyectos en marcha. La mayoría propone vehículos que realizarán vuelos suborbitarios y tienen previsto viajar a una altura de entre 100 y 160 kilómetros.

Módulo de test Génesis 1.
Bigelow Aerospace
En estos viajes, los viajeros tendrían la oportunidad de estar entre 3 y 6 minutos sin gravedad, observar perfectamente las estrellas y ver la curvatura de la Tierra. En principio se estima que el precio del viaje rondará los 150.000 euros, pero se espera que luego vaya bajando, hasta 30.000 o 20.000 euros, o incluso más.

La nave espacial SpaceShipOne puede ser una de las utilizadas para este tipo de viajes. Se trata de la primera nave espacial financiada exclusivamente por dinero privado que en 2004, en un plazo de dos semanas, consiguió subir dos veces a 100 kilómetros de altura, con 3 personas en su interior. Ahora quieren poner en marcha una flota de este tipo de naves espaciales para completar la línea espacial Virgin Galactic. Ya han comenzado a reservar vuelos y esperan que el primer vuelo se realice en 2008.

Otro proyecto privado es Blue Origin. Recientemente se ha expuesto el vídeo del vuelo del primer prototipo llamado Goddard en noviembre de 2006. El aspecto de Goddard es curioso: tiene forma de campana y cuatro patas, y se despide y aterriza verticalmente. En esta primera prueba sólo subió a 85 metros. No obstante, se prevé iniciar la oferta de vuelos comerciales a 100 kilómetros para 2010. En estos vuelos, además del piloto, se prevé que acudirán otras tres personas.

Hoteles de mil estrellas

Pero, además de los viajes, hay quien quiere poner en marcha el negocio de los alojamientos espaciales. Bigelow Aerospace retoma el diseño de los hábitats espaciales hinchables del programa Transhab abandonado por la NASA en su día y ya en julio de 2006 envió a órbita el módulo de test Genesis 1. Este año tienen previsto enviar Genesis 2 y poner en marcha la primera estación espacial comercial para 2010. Se llamará Nautilus y tendrá 330 m 3.

La nave espacial SpaceShipOne tras un vuelo.

¿Comenzará la colonización del espacio con los alojamientos espaciales? Y es que, al menos algunos creen que esto llegará antes o después. Michael Griffin, director general de la NASA, habló: "...a largo plazo, las especies del planeta Tierra no podrán sobrevivir... Si los seres humanos queremos vivir cientos, miles o millones de años, deberemos colonizar otros planetas... No sé cuándo será, pero llegará un día en que fuera de la Tierra vivirá más gente que en la Tierra... Sé que el hombre colonizará el sistema solar y algún día llegará más lejos..."

Basada en la entrevista al ingeniero Danel Madariaga en el programa de radio Norteko Ferrokarrilla. Para escuchar la entrevista: www.elhuyar.com/norteko_ferrokarrilla/

Veleros en el espacio
Las naves espaciales necesitan mucho combustible, sobre todo para salir de la Tierra. Pero en el espacio también se puede viajar sin combustible: los veleros solares.
Los veleros solares tienen velas muy finas de gran superficie, y aunque también hay viento solar, se valen de la luz solar, sobre todo para lograr el empuje. El sol, además de la luz y el calor, emite partículas a muy alta velocidad, lo que se conoce como viento solar. Sin embargo, estas partículas son tan pocas (~10 partículas/cm 3 ) que el empuje que darían a un velero solar es 10 veces menor que el que produciría la reflexión de la luz solar.
Representación del velero solar Cosmos 1.
(Foto: J. Ballentine)
Las velas de los veleros solares pueden ser entre 40 y 100 veces más finas que el papel, fabricadas con materiales ligeros y reflectantes. Al reflejar los fotones en estas membranas espejo se consigue un empuje que, aunque pequeño, es constante y puede ser útil para realizar diversas maniobras en el espacio sin utilizar combustibles.
De momento, no han conseguido utilizar con éxito veleros con luz solar como principal fuerza de propulsión. Pero han hecho varias pruebas. En 2005, por ejemplo, se envió Cosmos 1, pero el cohete falló y no consiguió ponerlo en órbita. En 2006, sin embargo, Soraseiru envió un velero solar de sabupeiro-do, que no consiguió expandirse correctamente.
Vivir al espacio
La colonización del espacio es uno de los temas más tratados de ciencia ficción, pero no sólo eso: la implantación de colonias humanas en el espacio es un objetivo a largo plazo de varios programas espaciales.
Aunque algunos creen que las primeras colonias se asentarán en la Luna y en Marte, otros muchos hablan de colonias orbital. Algunos grupos de la NASA han estudiado la posibilidad de realizar estas colonias orbitales, según las cuales en la Luna y los asteroides circundantes hay suficiente material, está disponible en grandes cantidades de energía solar de energía solar y no requiere grandes avances científicos. Eso sí, habrá que hacer mucha ingeniería.
(Foto: D. Davis)
También se han realizado diseños de colonias orbital. Uno de los ejemplos es el Standford Torus propuesto por la NASA en 1975. Se trataría de un anillo de una milla de diámetro que giraría un minuto para obtener la gravedad artificial mediante la fuerza centrífuga. La luz solar penetraría mediante espejos y el interior tendría la forma de un valle largo. Allí se simularía un entorno natural que albergaría a 10.000 personas.
Quien quiera conocer un Standford Torus tiene la oportunidad de esperar a que algún día se haga algo parecido, o en Kubrick 2001: Ver la película A Space Odyssey.
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