¿Veremos algún día un hombre en Marte? (Pat Rawlings).
Viajar a otro planeta no es fácil. O sí, según se mire. Antes de encender los motores de nuestra nave y poner rumbo a lo desconocido, debemos tener claro cómo llegar a ese punto de luz rojiza que se desplaza lentamente por el cielo terrestre. Y aquí es donde entramos en el proceloso mundo de la dinámica orbital. Un mundo complejo en el que necesitaremos la ayuda de matemáticas avanzadas -o máquinas que realicen los cálculos por nosotros- para llegar a nuestro destino.
Los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor del Sol, así que para viajar a Marte sólo tenemos que conocer en detalle las órbitas de la Tierra y del planeta rojo. Cada órbita viene determinada por seis parámetros orbitales (en un post anterior hablamos de ello en más detalle), pero para nuestro propósito sólo debemos tener en cuenta unos pocos conceptos básicos. Primero, hay que ser conscientes de que toda órbita planetaria viene definida por el perihelio y el afelio, es decir, el punto de la trayectoria más cercano y más lejano al Sol, respectivamente. Si hablamos de la Tierra, su órbita es casi circular, así que el perihelio prácticamente coincide con el afelio. No es el caso de Marte, puesto que su distancia al Sol varía significativamente, entre 206 y 249 millones de kilómetros.
Los parámetros orbitales (fuente).
Pero lo más importante a la hora de llevar a cabo una misión a cualquier cuerpo del Sistema Solar es la noción de Delta-V. Este parámetro mide literalmente el cambio de velocidad (aceleración) que debemos llevar a cabo en una maniobra orbital (por ejemplo, ponerse en órbita alrededor de Marte) y es proporcional a la energía requerida para realizar dicha maniobra. Y, como puedes imaginar, esto es muy importante, porque de la Delta-V total de una misión dependen parámetros tan importantes como por ejemplo el tamaño inicial de nuestra nave o el tiempo de vuelo (en realidad, y siendo rigurosos, la energía de una misión espacial se mide en la práctica con una magnitud denominada energía característica o C3, pero esto es un simple detalle). Por tanto, la regla de oro de una misión a Marte es...¡minimiza tu Delta-V!
Conociendo estos principios básicos ya estamos listos para planificar nuestra misión a Marte. Sólo necesitamos conocer el presupuesto Delta-V del que disponemos, que dependerá del momento y trayectoria elegidos para nuestra misión, la masa inicial de la nave y el sistema de propulsión empleado. Veamos primero qué trayectorias podemos escoger.
Dos misiones distintas
Lo ideal sería viajar en línea recta desde nuestro planeta hasta marte, pero la Delta-V requerida para esta excursión sería monstruosa, violando la regla de oro de los viajes interplanetarios. La trayectoria de mínima energía -y Delta-V- entre dos órbitas elípticas es una órbita de transferencia de Hohmann, propuesta en 1925 por el ingeniero y matemático alemán Walter Hohmann. Pese a tener nombre un tanto rimbombante, una órbita de Hohmann no es más que una órbita elíptica común en la que el periastro (perihelio si hablamos de planetas) está situado en la órbita de partida y el apoastro (o afelio) en la de llegada (o viceversa). No hay nada misterioso en estas órbitas. Cualquier satélite de comunicaciones que es lanzado hasta la órbita geoestacionaria utiliza una órbita de Hohmann, al igual que las naves tripuladas Soyuz cuando quieren alcanzar la estación espacial internacional (ISS). La única diferencia es que en este caso la Tierra es la que se encuentra en el centro de coordenadas del sistema, no el Sol, pero las matemáticas son las mismas.
Órbita de transferencia de Hohmann (en amarillo) (Wikipedia).
El caso es que ahora podemos agrupar las posibles misiones en dos tipos según su trayectoria: misiones de oposición o de conjunción. Estos conceptos son poco intuitivos, porque decimos que Marte está en oposición cuando se encuentra más cerca de la Tierra en línea recta, mientras que estará en conjunción si está al otro lado del Sol visto desde nuestro planeta. El nombre de cada tipo de misión se debe a que Marte entra en conjunción u oposición con respecto a la Tierra a mitad de cada misión respectivamente.
Tipos de misiones marcianas:oposición y conjunción (NASA).
Ejemplo de una misión de tipo conjunción (NASA).
Ejemplo de misión de tipo oposición (NASA).
Por el contrario, hoy en día casi todos los planes de misiones tripuladas a Marte utilizan un esquema de conjunción. Por un lado, puesto que el objetivo es estudiar el planeta rojo, está claro que treinta días es un tiempo insuficiente para investigar adecuadamente todo un planeta. Además, y como veremos más adelante, los riesgos de la radiación aconsejan minimizar la permanencia en el espacio interplanetario.
Apunten, listos, ¡lanzamiento!
Una vez seleccionado el tipo de misión y la trayectoria a seguir, volvemos a tener en cuenta la Delta-V. Primero, hay que saber que podemos viajar a Marte despegando desde cualquier centro espacial de la Tierra, aunque no todos tendrán "ventanas de lanzamiento" igual de favorables. Segundo, nuestra trayectoria no sólo debe interceptar la órbita de Marte, sino el planeta. Es decir, debemos elegir una órbita de tal modo que al llegar a la órbita marciana nos encontremos con nuestro objetivo. Debido al movimiento relativo entre la Tierra y Marte, las ventanas de lanzamiento idóneas -esto es, con menor Delta-V- tienen lugar cada 25 meses y medio.
Características de las órbitas marciana y terrestre (NASA).
Órbita hiperbólica de escape con respecto a la Tierra (fuente).
Inserción en órbita marciana desde una órbita de transferencia.
Debemos tener en cuenta que Marte no se encuentra en el mismo plano orbital que la eclíptica.
Gráfica porkchop para una misión a Marte usando una trayectoria de Hohmann (NASA).
Desmenuzando la Ecuación de Tsiolkovsky y la Delta-V
Hasta ahora sólo hemos hablado de Delta-V, pero a la hora de construir nuestra nave marciana deberemos tener en cuenta la inefable ecuación del cohete o de Tsiolkovsky. Esta tiránica relación matemática obliga a cualquier vehículo espacial a transportar una cantidad enorme de combustible en proporción a su masa en seco. Es por eso que la mayor parte del peso de un cohete se debe al combustible y no a la carga útil. Para disminuir los perniciosos efectos de esta ecuación podemos hacer dos cosas: usar sistemas propulsivos muy eficientes y dividir nuestra nave en fases que se irán desprendiendo a medida que avanza la misión.
Todos los cohetes actuales utilizan sistemas de propulsión basados en combustibles líquidos. No es una mala elección si queremos viajar desde la superficie de la Tierra hasta la órbita baja, pero no es tan buena cuando se trata de ir a otros planetas. Analicemos por qué.
Veamos, la Delta-V total de una misión a Marte es de unos 40 km/s, correspondientes a la suma de las diferentes Delta-V requeridas en cada parte de la misión. La primera parte consiste en alcanzar la órbita baja (LEO), para lo cual se requiere una Delta-V de 9,4 km/s (la velocidad orbital es de unos 8 km/s, pero tenemos que tener en cuenta la energía necesaria para vencer el campo gravitatorio terrestre, de ahí la discrepancia en las cifras). Después tendremos que alcanzar la velocidad de escape (TMI, Trans-Mars Injection), o lo que es lo mismo, situarnos en una órbita hiperbólica con respecto a al Tierra o de Hohmann con respecto al Sol.
Para alcanzar Marte desde LEO, la Delta-V mínima (o sea, una órbita de Hohmann) de esta maniobra es de 3,9 km/s. Podemos aumentarla si queremos llegar antes al planeta rojo, eso sí, a cambio de aumentar la masa de nuestra nave. Meses después, la siguiente parte de la misión consistirá en situarnos en una órbita baja alrededor de Marte (LMO, Low Mars Orbit), lo que requiere una Delta-V total de 2,5 km/s. Por último, para el descenso a la superficie marciana necesitaremos una Delta-V de 4,1 km/s. En la trayectoria de vuelta TEI, Trans-Earth Injection), la Delta-V de cada etapa es muy similar, aunque debemos tener en cuenta que el ascenso desde la superficie marciana nos costará un poco más (4,3 km/s).
Presupuesto Delta-V de las distintas fases de una misión a Marte (NASA).
Por suerte, no es necesario utilizar combustible para todas estas fases de la misión. La naturaleza nos ha facilitado un poquito las cosas. Así, por ejemplo, para el regreso a la Tierra desde Marte podemos emplear la atmósfera terrestre para frenar nuestra velocidad. Y lo mismo para la entrada en la atmósfera marciana. Pero debemos tener en cuenta que estos atajos no nos salen totalmente "gratis", puesto que debemos tener en cuenta la masa de los escudos térmicos y paracaídas correspondientes.
Sea como sea, si utilizamos propulsión química para cada parte de la misión (salvo el regreso a la Tierra y parte del descenso a la superficie de Marte), la masa mínima de nuestra nave en las distintas partes de la misión tendrá un aspecto tal que así:
Como se puede apreciar, la mayor parte de la masa del vehículo se corresponde con el combustible necesario para abandonar la órbita de la Tierra y situarse alrededor de una órbita marciana. Actualmente se considera que la masa inicial mínima de una misión a Marte con propulsión química rondaría las 850 toneladas. Esta reducción se consigue usando varias tecnologías avanzadas tales como propulsión criogénica (hidrógeno y oxígeno líquidos), aerocaptura en la atmósfera de Marte o el uso de las materias primas marcianas para sintetizar combustible, oxígeno y agua (ISRU, In Situ Resource Utilization). Por último, también tendremos que separar nuestra expedición en naves de carga y vehículos tripulados para reducir la masa de partida.
Una futura nave marciana tripulada realiza la maniobra de aerocaptura en la atmósfera de Marte para ahorrar combustible (NASA).
850 toneladas siguen siendo muchas toneladas para una misión a Marte. A pesar de ser una cifra sensata, seguiríamos necesitando siete lanzamientos de un cohete gigante para realizar una sola misión. ¿Posible?, sin duda, pero no estamos en los años 60 e imitar al programa Apolo no es una buena idea. Debemos ser un poco más modestos.
La única solución pasa por introducir sistemas de propulsión avanzados y eficientes -o sea, con mayor impulso específico (Isp)- que reduzcan el tamaño inicial de nuestra nave. A este respecto, la propulsión nuclear térmica (NTP, Nuclear Thermal Propulsion) y eléctrica (SEP/NEP, Solar/Nuclear Electric Propulsion) son las mejores opciones. La propulsión nuclear térmica consiste en el uso de reactores nucleares para acelerar una sustancia propelente (normalmente hidrógeno o metano). Los motores de este tipo tienen un impulso específico mayor que el alcanzado con motores de combustible líquido, aunque la ventaja depende mucho del sistema concreto. Durante finales de los años 60 se propusieron en los EEUU varias misiones a Marte que usaban motores nucleares térmicos de tipo NERVA, aunque finalmente fueron descartadas.
Diferentes sistemas de propulsión en función de su impulso específico (isp) y empuje (NASA).
Propuesta de misión a Marte de finales de los 60 usando motores nucleares térmicos de tio NERVA (NASA).
Una solución intermedia consiste en usar reactores nucleares para alimentar los motores iónicos, eliminando la dependencia de los paneles solares. Con un poquito de ingenio, el reactor nuclear podría usarse de forma híbrida, es decir, también serviría como motor nuclear térmico en las fases que requiriesen mayor Delta-V, dejando los motores iónicos para el resto de la misión.
Propuesta de nave de propulsión eléctrica de General Electric de finales de los años 60 con gravedad artificial (NASA).
Proyecto soviético de los años 80 de nave marciana con propulsión nuclear eléctrica (RKK Energía).
Reactor
nuclear Yenisey (TOPAZ-2) para misiones espaciales con una potencia
térmica de 135 kW (5,5 kW eléctricos) (Novosti Kosmonavtiki).
Propuestas actuales de naves marcianas con NEP.
Si en vez de reactores nucleares usamos propulsión solar eléctrica (SEP), los paneles solares deben ser enormes (RKK Energía)
Propuestas actuales de naves marcianas con NEP.
Si en vez de reactores nucleares usamos propulsión solar eléctrica (SEP), los paneles solares deben ser enormes (RKK Energía)
Usando propulsión nuclear eléctrica o híbrida, todos los estudias indican que podemos rebajar la masa inicial de una misión a Marte por debajo de las 500 toneladas, lo que requeriría sólo cuatro lanzamientos de un cohete gigante tipo Saturno V. No obstante, la ventaja de la SEP o la NEP con respecto a los combustibles criogénicos es mucho mayor en misiones de tipo oposición que en las de tipo conjunción, preferidas actualmente por la comunidad internacional.
En los últimos años, el sistema de propulsión de plasma de impulso específico variable, más conocido como VASIMR, ha cobrado cierta popularidad, pero lo cierto es que este concepto todavía debe demostrar su valía. Además, el altísimo consumo energético del VASIMR obliga a su uso conjunto con reactores nucleares, de ahí que surja la duda si no es más fácil usar directamente sistemas de propulsión iónicos -de probada eficacia- antes que decantarse por este complejo sistema. Otra alternativa a corto plazo podrían ser los motores nucleares térmicos alternativos, como el denominado Motor de Rubbia u otros similares.
La propulsión nuclear (eléctrica/térmica) permite rebajar la masa total de la nave a menos de 500 toneladas en LEO.
Como
vemos, la misiones con NTP requieren una masa inicial mucho menor que
las químicas. Sólo la propulsión eléctrica supera en ocasiones a la NTR.
Sin embargo, la diferencia es máxima en las misiones de tipo oposición y
no es tan llamativa en las de tipo conjunción (NASA).
La
última arquitectura de misión marciana de la NASA, DRM 5.0, incluye
naves con aerocaptura y motores nucleares térmicos y "sólo" requiere
siete lanzamientos de un cohete gigante (NASA).
La
primera tripulación en Marte regresa a la Tierra en una nave enviada
previamente sin combustible. El combustible (metano) sería obtenido a
partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana (NASA).
Proyecto de nave marciana con propulsión híbrida nuclear eléctrica y química (NASA/General Electric).
Además de posibles accidentes de todo tipo, los futuros exploradores de Marte se enfrentarán principalmente a dos amenazas principales, la ingravidez y la radiación. El cuerpo humano no está diseñado para vivir durante largas temporadas en el espacio. Descalcificación o atrofia muscular son dos de los inconvenientes de pasar una larga temporada en gravedad cero.
Sin embargo, en las últimas décadas hemos aprendido a vivir de forma rutinaria en el espacio. Hoy en día las tripulaciones de la ISS vuelven a casa en buena forma tras pasar seis meses en el espacio, una escala de tiempo que coincide precisamente con la duración del trayecto de ida o vuelta a Marte en una misión de tipo conjunción. Por si fuera poco, Valeri Poliakov demostró en los años 90 que es posible permanecer 14 meses en órbita y regresar para contarlo. Resumiendo, los efectos de la ingravidez son un problema, sí, pero no es un impedimento serio para una misión a Marte.
Valeri Polyakov permaneció 14 meses en la Mir.
Dosis de radiación diarias
recibidas en varias misiones. Los puntos verdes son las misiones Apolo.
Se puede ver como las misiones en LEO con alturas e inclinaciones
elevadas pueden sufrir dosis de radiación similares a las del Apolo
(NASA).
Dosis de radiación máximas para la NASA.
Dosis de radiación en la
superficie marciana debidas a los rayos cósmicos. Las regiones más altas
son las menos protegidas, al estar situadas fuera de la atmósfera
(NASA).
¿Hasta cuándo esperaremos?
Como hemos visto, un viaje tripulado a Marte entra dentro de las posibilidades de la tecnología actual. Por supuesto que no será ni fácil ni barato, pero lo único que nos impide llevar a cabo el viaje más grande de la historia son motivos políticos. Por ahora no hay ningún plan oficial para visitar el planeta rojo, pero quién sabe, quizás dentro de veinte años las cosas cambien...
Un explorador examina las rocas de un cañón marciano. ¿Veremos algo así antes del final de siglo?
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