Crédito de imagen: NASA
Como todos saben, los cohetes químicos son demasiado lentos para la exploración espacial. Quizás los más eficientes serán los sistemas híbridos, con diferentes tipos de propulsión utilizados en diferentes puntos de un viaje. Este artículo le ofrece un desglose de las tecnologías en las que la NASA está trabajando actualmente.
"Mamá, ¿ya llegamos?"
Todos los padres han escuchado ese grito desde el asiento trasero del automóvil. Por lo general, comienza aproximadamente 15 minutos después del inicio de cualquier viaje familiar. Lo bueno es que rara vez viajamos a más de unos cientos o miles de kilómetros de casa.
Pero, ¿y si viajaras a, digamos, Marte? Incluso en su aproximación más cercana a la Tierra cada dos años, el planeta rojo siempre está al menos a 35 millones de millas de distancia. Seis meses allí y seis meses atrás, en el mejor de los casos.
"Houston, ¿ya llegamos?"
"Los cohetes químicos son demasiado lentos", lamenta Les Johnson, gerente de tecnologías de transporte en el espacio en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. "Queman todo su propelente al comienzo de un vuelo y luego la nave espacial simplemente se desliza por el resto del camino". Aunque las naves espaciales pueden acelerarse con la ayuda de la gravedad, un movimiento celestial alrededor de los planetas, como el de Saturno que arrojó a la Voyager 1 al borde del sistema solar, los tiempos de viaje de ida y vuelta entre los planetas todavía se miden en años. a décadas. Y un viaje a la estrella más cercana llevaría siglos, si no milenios.
Peor aún, los cohetes químicos son demasiado ineficientes en combustible. Piense en conducir en un trago de gasolina en un país sin estaciones de servicio. Tendría que transportar barcos llenos de gasolina y no mucho más. En las misiones espaciales, lo que puede llevar en su viaje que no sea combustible (o tanques de combustible) se llama masa de carga útil, por ejemplo, personas, sensores, muestreadores, equipo de comunicaciones y alimentos. Al igual que el consumo de combustible es una cifra útil de mérito para la eficiencia del combustible de un automóvil, la "fracción de masa de la carga útil", la relación entre la masa de la carga útil de una misión y su masa total, es una figura útil de mérito para la eficiencia de los sistemas de propulsión.
Con los cohetes químicos actuales, la fracción de masa de carga útil es baja. "Incluso utilizando una trayectoria de energía mínima para enviar una tripulación de seis personas de la Tierra a Marte, solo con cohetes químicos, la masa total de lanzamiento superaría las 1.000 toneladas métricas, de las cuales alrededor del 90 por ciento sería combustible", dijo Bret G. Drake, gerente de análisis de lanzamiento espacial e integración en Johnson Space Center. El combustible solo pesaría el doble que la Estación Espacial Internacional completa.
Una sola expedición a Marte con la tecnología de propulsión química de hoy requeriría docenas de lanzamientos, la mayoría de los cuales simplemente lanzarían combustible químico. Es como si su automóvil compacto de 1 tonelada necesitara 9 toneladas de gasolina para conducir de la ciudad de Nueva York a San Francisco porque promediaba solo una milla por galón.
En otras palabras, los sistemas de propulsión de bajo rendimiento son una de las principales razones por las cuales los humanos aún no han pisado Marte.
Los sistemas de propulsión más eficientes aumentan la fracción de masa de la carga útil al proporcionar un mejor "kilometraje de gas" en el espacio. Como no necesita tanto propelente, puede transportar más cosas, ir en un vehículo más pequeño y / o llegar más rápido y más barato. "El mensaje clave es: necesitamos tecnologías avanzadas de propulsión para permitir una misión de bajo costo a Marte", declaró Drake.
Por lo tanto, la NASA está desarrollando unidades de iones, velas solares y otras tecnologías de propulsión exóticas que durante décadas han llevado a los humanos a otros planetas y estrellas, pero solo en las páginas de ciencia ficción.
De tortuga a liebre
¿Cuáles son las opciones de hechos científicos?
La NASA está trabajando duro en dos enfoques básicos. El primero es desarrollar cohetes radicalmente nuevos que tengan una economía de combustible de orden de magnitud mejor que la propulsión química. El segundo es desarrollar sistemas "libres de propulsores" que funcionan con recursos abundantes en el vacío del espacio profundo.
Todas estas tecnologías comparten una característica clave: comienzan lentamente, como la tortuga proverbial, pero con el tiempo se convierten en una liebre que realmente gana una carrera hacia Marte, o donde sea. Confían en el hecho de que una pequeña aceleración continua durante meses puede impulsar una nave espacial mucho más rápido que una enorme patada inicial seguida de un largo período de inercia.
Arriba: esta nave espacial de bajo empuje (concepto de artista) es impulsada por un motor de iones y alimentada por electricidad solar. Finalmente, la nave aumentará la velocidad, como resultado de una aceleración implacable, y correrá a muchas millas por segundo. Crédito de la imagen: John Frassanito & Associates, Inc.
Técnicamente hablando, son todos sistemas con bajo empuje (lo que significa que apenas sentirías la aceleración tan suave, equivalente al peso de un trozo de papel en tu palma) pero largos tiempos de operación. ¡Después de meses de continuar con una pequeña aceleración, estarías recortando a muchas millas por segundo! En contraste, los sistemas de propulsión química son de alto empuje y cortos tiempos de operación. Estás aplastado contra los cojines del asiento mientras los motores están encendidos, pero solo brevemente. Después de eso el tanque está vacío.
Cohetes de bajo consumo
"Un cohete es cualquier cosa que arroja algo por la borda para impulsarse hacia adelante", señaló Johnson. (¿No crees esa definición? Siéntate en una patineta con una manguera de alta presión apuntando hacia un lado, y serás impulsado en el sentido opuesto).
Los principales candidatos para el cohete avanzado son variantes de motores de iones. En los motores de iones actuales, el propelente es un gas inerte incoloro, insípido e inodoro, como el xenón. El gas llena una cámara con anillos magnéticos a través de la cual pasa un haz de electrones. Los electrones golpean los átomos gaseosos, expulsando un electrón externo y convirtiendo los átomos neutros en iones cargados positivamente. Las rejillas electrificadas con muchos agujeros (15,000 en las versiones actuales) enfocan los iones hacia el escape de la nave espacial. Los iones se disparan más allá de las rejillas a velocidades de hasta más de 100,000 millas por hora (compárelo con un auto de carreras de Indianápolis 500 a 225 mph), acelerando el motor hacia el espacio, produciendo así un empuje.
¿De dónde viene la electricidad para ionizar el gas y cargar el motor? Ya sea de paneles solares (llamada propulsión eléctrica solar) o de fisión o fusión (llamada propulsión eléctrica nuclear). Los motores de propulsión eléctrica solar serían más efectivos para misiones robóticas entre el sol y Marte, y la propulsión eléctrica nuclear para misiones robóticas más allá de Marte donde la luz solar es débil o para misiones humanas donde la velocidad es esencial.
Las unidades de iones funcionan. Han demostrado su valía no solo en pruebas en la Tierra, sino también en naves espaciales en funcionamiento, la más conocida es Deep Space 1, una pequeña misión de prueba de tecnología impulsada por propulsión eléctrica solar que voló y tomó fotos del cometa Borrelly en septiembre, 2001. Las unidades de iones como la que impulsó Deep Space 1 son aproximadamente 10 veces más eficientes que los cohetes químicos.
Sistemas sin propulsores
Sin embargo, los sistemas de propulsión de masa más baja pueden ser aquellos que no llevan ningún propulsor a bordo. De hecho, ni siquiera son cohetes. En cambio, en un verdadero estilo pionero, "viven de la tierra", dependiendo de la energía en recursos naturales abundantes en el espacio, al igual que los pioneros de antaño dependían de la comida para atrapar animales y encontrar raíces y bayas en la frontera.
Los dos candidatos principales son velas solares y velas de plasma. Aunque el efecto es similar, los mecanismos operativos son muy diferentes.
Una vela solar consiste en una enorme área de telaraña, material altamente reflectante que se despliega en el espacio profundo para capturar la luz del sol (o de un microondas o un rayo láser de la Tierra). Para misiones muy ambiciosas, las velas pueden extenderse hasta muchos kilómetros cuadrados en el área.
Las velas solares aprovechan el hecho de que los fotones solares, aunque no tienen masa, tienen impulso: varios micronewtons (aproximadamente el peso de una moneda) por metro cuadrado a la distancia de la Tierra. Esta suave presión de radiación acelerará lenta pero seguramente la vela y su carga útil lejos del sol, alcanzando velocidades de hasta 150,000 millas por hora, o más de 40 millas por segundo.
Un error común es que las velas solares atrapan el viento solar, una corriente de electrones y protones energéticos que se evaporan de la atmósfera exterior del Sol. No tan. Las velas solares obtienen su impulso de la luz solar misma. Sin embargo, es posible aprovechar el impulso del viento solar utilizando las llamadas "velas de plasma".
Las velas de plasma se modelan en el propio campo magnético de la Tierra. Los potentes electroimanes a bordo rodearían una nave espacial con una burbuja magnética de 15 o 20 kilómetros de diámetro. Las partículas cargadas de alta velocidad en el viento solar empujarían la burbuja magnética, tal como lo hacen en el campo magnético de la Tierra. La Tierra no se mueve cuando se empuja de esta manera: nuestro planeta es demasiado masivo. Pero una nave espacial se alejaría gradualmente del Sol. (Una ventaja adicional: así como el campo magnético de la Tierra protege a nuestro planeta de las explosiones solares y las tormentas de radiación, una vela de plasma magnético protegería a los ocupantes de una nave espacial).
Arriba: El concepto de artista de una sonda espacial dentro de una burbuja magnética (o "vela de plasma"). Las partículas cargadas en el viento solar golpean la burbuja, aplican presión y propulsan la nave espacial. [más]
Por supuesto, la tecnología original, probada y verdadera sin propulsores es la asistencia por gravedad. Cuando una nave espacial pasa por un planeta, puede robar parte del impulso orbital del planeta. Esto apenas hace la diferencia para un planeta masivo, pero puede aumentar de manera impresionante la velocidad de una nave espacial. Por ejemplo, cuando Galileo pasó por la Tierra en 1990, la velocidad de la nave espacial aumentó en 11,620 mph; Mientras tanto, la Tierra se desaceleró en su órbita en una cantidad de menos de 5 mil millonésimas de pulgada por año. Dichas asistencias por gravedad son valiosas para complementar cualquier forma de sistema de propulsión.
De acuerdo, ahora que estás atravesando el espacio interplanetario, ¿cómo reduces la velocidad en tu destino lo suficiente como para entrar en una órbita de estacionamiento y prepararte para el aterrizaje? Con la propulsión química, la técnica habitual es disparar retrocohetes, una vez más, que requieren grandes cantidades de combustible a bordo.
La aerocaptura promete una opción mucho más económica: frenar la nave espacial por fricción con la propia atmósfera del planeta de destino. El truco, por supuesto, es no dejar que una nave espacial interplanetaria de alta velocidad se queme. Pero los científicos de la NASA sienten que, con un escudo térmico diseñado adecuadamente, sería posible capturar muchas misiones en órbita alrededor de un planeta de destino con solo un paso a través de su atmósfera superior.
¡Adelante!
"Ninguna tecnología de propulsión hará todo por todos", advirtió Johnson. De hecho, las velas solares y las velas de plasma probablemente serían útiles principalmente para propulsar la carga en lugar de los humanos desde la Tierra a Marte, porque "las tecnologías tardan demasiado en alcanzar la velocidad de escape", agregó Drake.
Sin embargo, un híbrido de varias tecnologías podría resultar muy económico para conseguir una misión tripulada a Marte. De hecho, una combinación de propulsión química, propulsión iónica y aerocaptura podría reducir la masa de lanzamiento de una misión de Marte de 6 personas a menos de 450 toneladas métricas (que requieren solo seis lanzamientos), menos de la mitad de lo que se puede lograr solo con propulsión química.
Tal misión híbrida podría ser así: los cohetes químicos, como de costumbre, despegarían la nave espacial. Una vez en órbita terrestre baja, los módulos de accionamiento de iones se encenderían, o los controladores de tierra podrían desplegar una vela solar o de plasma. Durante 6 a 12 meses, la nave espacial, temporalmente sin tripulación para evitar exponer a la tripulación a grandes dosis de radiación en los cinturones de radiación Van Allen de la Tierra, se alejaría en espiral, acelerando gradualmente hasta una órbita final de alta salida de la Tierra. La tripulación sería transportada al vehículo de Marte en un taxi de alta velocidad; una pequeña etapa química patearía el vehículo para escapar de la velocidad, y se dirigiría hacia Marte.
A medida que la Tierra y Marte giran en sus respectivas órbitas, la geometría relativa entre los dos planetas cambia constantemente. Aunque las oportunidades de lanzamiento a Marte ocurren cada 26 meses, las alineaciones óptimas para los viajes más baratos y más rápidos posibles ocurren cada 15 años, el próximo en 2018.
Quizás para entonces tengamos una respuesta diferente a la pregunta: "Houston, ¿ya llegamos?"
Fuente original: NASA Science Story
