El sueño del Avión espacial

Alcanzar el espacio con un avión. Es el sueño de cualquier ingeniero aeroespacial, un sueño tan difícil de hacer realidad que muchos lo tachan de simple fantasía. Y eso que la idea es, en teoría, sorprendentemente sencilla. ¿Por qué no usar el oxígeno del aire y la fuerza de sustentación de las alas para alcanzar el espacio, adelgazando así la tremenda masa de los cohetes? De este modo tendríamos a nuestra disposición un sistema barato y reutilizable para alcanzar el espacio. 

Obviamente, en el vacío no hay aire, así que para el último empujón hasta la órbita se debería usar un motor cohete convencional. El problema consiste en alcanzar la velocidad mágica de Mach 25 (29000 km/h), la ansiada velocidad orbital. 

Construir un sistema de propulsión atmosférico capaz de alcanzar estas velocidades es algo así como el Santo Grial de los constructores de motores. Pero hasta la fecha nadie ha logrado construir un motor capaz de viajar a dicha velocidad. 

Ahora debemos añadir otra dificultad que resulta tanto o más importante: el calor. A las altísimas velocidades de un avión espacial, la fricción con el aire y las ondas de choque ocasionan que la temperatura del fuselaje se dispare. A pesar de que un avión espacial sólo pasará unos minutos en la atmósfera, es más que suficiente para requerir el uso de un pesado y complejo escudo térmico, escudo que deberá usar también durante la reentrada. 

La capacidad de aguantar altas temperaturas está ligada a la velocidad máxima del avión. De nada sirve tener un motor capaz de alcanzar Mach 25 si la nave se nos derrite por el camino. Tanto EE UU como la URSS han estudiado este concepto pero está claro que el desafío ha resultado ser mucho más complicado de lo que esperábamos. ¿Veremos en este siglo el primer avión espacial de la historia o se trata en realidad de un concepto totalmente inviable?

Alcanzado el espacio desde un avión.

La idea de usar un avión como primera etapa de un lanzamiento orbital es tan antigua como la era espacial. Por aquel entonces los EEUU aún no se reponían del impacto que supuso el lanzamiento del Sputnik por parte de la unión Soviética. El que la URSS pudiese sobrevolar el territorio Norteamericano con total impunidad era algo que el ejército no podía pasar por alto. 

Inmediatamente, el Pentágono inició varios programas de armas antisatélites para intentar neutralizar la nueva amenaza al mismo tiempo que creó varias iniciativas para situar satélites de forma rápida e independiente. Uno de estos proyectos, que en su momento era alto secreto, fue el proyecto Pilot.

Su objetivo era diseñar un pequeño cohete capaz de ser lanzado desde un avión de combate que pudiera situar en órbita pequeños satélites.

El avión escogido sería el Douglas F4D-1 Skyray y como lanzador se diseñó un pequeño cohete de combustible sólido de cinco etapas (seis contando al avión). El lanzador fue bautizado como NOTS-EV1 o Pilot. Se trataba de un cohete de 950 kg de masa con una longitud de 4,38 metros y 0,75 metros de diámetro (1,65 metros con las aletas estabilizadoras). El proyecto Pilot recibió un presupuesto de 300 000 dólares y un plazo de cuatro meses para su desarrollo.

El Skyray con el pilot debía despegar desde una pista del ejército en California y dirigirse hacia una zona predeterminada sobre el canal de Santa Bárbara. Allí el piloto tiraría de los mandos del aparato para subir a una altura de 12,5 kilómetros mientras mantenía una trayectoria que formaba un ángulo de 58º con la horizontal. A la altura prevista soltaría el Pilot a una velocidad de 742 km/h y con un ángulo de 50º. El Pilot iría montado en el ala izquierda del Skyray y para equilibrar el aparato se decidió añadir un depósito de combustible en el ala derecha. El Skyray había sido modificado para aligerar su peso.

Se realizaron 10 vuelos de prueba de los cuales solo uno de ellos, aparentemente, tuvo éxito. Lamentablemente, solo una estación fue capaz de recibir esta señal y hoy en día se considera que los técnicos de dicha estación escucharon simplemente ruido. El resto de vuelos experimentarían fallos de ignición de las etapas cuando no explosiones directamente. 

Tras estos intentos infructuosos, los militares estadounidenses no lograron desarrollar ningún sistema de lanzamiento aéreo. El Proyecto Pilot permanecería en secreto hasta una fecha tan tardía como 1994. De haber logrado sus objetivos, los EEUU habrían podido orbitar satélites mediante aviones menos de un año después de que la Unión Soviética lanzase el Sputnik.

¿Dónde comienza el espacio?

La atmósfera no termina abruptamente a una altura determinada, sino que se hace cada vez más tenue con la altitud. Eso a pesar de que cerca del 75% de la masa de la atmósfera se halla por debajo de los primeros 11 km de altura.

En astronáutica y aviación se usa el concepto de la linea de Von Kárman como frontera arbitraria entre la atmósfera y el espacio exterior. Básicamente es la altura en la cual para mantenerse volando un avión necesitaría moverse a la misma velocidad orbital requerida para dicha altura. 

Gracias a la sustentación de la atmósfera un avión puede moverse a muy bajas velocidades, pero a medida que aumenta la altura la sustentación disminuye y para compensarla el vehículo aéreo debe moverse más rápido.

Eso no quiere decir tampoco que la atmósfera termine a los 100 km, pues si contamos hasta las capas más tenues nuestra atmósfera se extendería hasta unos 10.000 km.

Viajando a las estrellas con el poder del átomo.

Naves de fusión nuclear.

Forzar, mediante altas temperaturas, a dos núcleos atómicos poco densos a unirse y formar un núcleo más pesado y de paso liberar una enorme cantidad de energía, esta es una descripción simple y breve de la fusión nuclear. Una descripción que, sin embargo, esconde la elevada complejidad asociada al funcionamiento de un reactor de Fusión nuclear.

La fusión nuclear es uno de los sistemas de propulsión preferidos para los viajes interestelares, tanto en la realidad como en la ficción. Los famosos proyectos Daedalus e Icarus se basan en este sistema. Otras propuestas, como el Proyecto Longshot de los años 80, usan un diseño de nave de fusión junto con otros sistemas.

No obstante, y por mucha fama que tengan, lo cierto es que nadie sabe cómo construir un motor de fusión operativo. Diseños hay muchos (motores de fusión continua, fusión por pulsos, fusión mediante haces láser o haces de electrones, fusión por confinamiento magnético, etc.), pero ninguno ha pasado de la fase conceptual sobre el papel.

Al igual que la fusión controlada en reactores terrestres, los motores de fusión parecen estar a la vuelta de la esquina, pero nada indica que sea así. Para complicar las cosas, la eficiencia de un motor de fusión depende fuertemente del combustible usado: deuterio, tritio o helio-3. Las reacciones de deuterio con helio-3 son las más eficientes, pero el problema radica en que el helio-3 es un isótopo muy, pero que muy escaso. Extraer el helio-3 de Júpiter o la Luna, como se ha propuesto en repetidas ocasiones, no parece ser una opción práctica, ni tampoco barata.

Los reactores de fusión terrestres usan deuterio y tritio como combustible, pero esta reacción genera neutrones que no pueden ser dirigidos para propulsar un vehículo espacial, además de crear un serio problema de radiactividad inducida (las reacciones He3-deuterio generan protones, cuya carga eléctrica los hace más dóciles).

A pesar de estas dificultades, las promesas de la fusión nuclear como propulsor de naves espaciales son tan grandes que se continua investigando en ella. En algunas versiones se podría alcanzar un 'fantástico' 13% de la velocidad de la luz. Con estas especificaciones, una nave de fusión por etapas, como la Daedalus de los años 70, tardaría tan solo unos 30 años en llegar a Alfa Centauri, el sistema estelar más cercano.

Categorías de protección planetaria.

La contaminación de otros mundos con microorganismos terrestres es un tema muy serio que preocupa a la comunidad científica internacional. La NASA cuenta incluso con la Oficina de Protección Planetaria, encargada de dictar las normas de esterilización de los vehículos espaciales que estudian los cuerpos del Sistema Solar potencialmente habitables (Marte, Europa, Encélado, Titán, etc.). En este caso, ‘habitable’ hace referencia obviamente a las formas de vida terrestres, los 'polizones' de nuestras misiones espaciales.

De acuerdo con la Oficina de Protección Planetaria, existen cinco categorías de misiones según el peligro de contaminación biológica. Las categorías I y II abarcan todo tipo de misiones a cualquier lugar del Sistema Solar donde exista nulo o poco riesgo de contaminación por parte de microorganismos terrestres, como la luna, mercurio o los asteroides ( sondas como Dawn, MESSENGER, etc.). 

La Categoría III afecta a sondas que sobrevuelen u orbiten lugares con un riesgo potencial de contaminación, como pueden ser varias lunas de Júpiter o Saturno ( sondas Galileo o Cassini).

La Categoría IV queda reservada para sondas de superficie que estudien esos mismos lugares que la Categoría III pero con misiones de aterrizaje. Huelga decir que todas las misiones a Marte, Europa o Encélado son de Categoría III o IV.

Por último, la Categoría V engloba las sondas que traigan muestras de cualquier punto del Sistema Solar a la Tierra (en este último caso el objetivo es evitar una posible contaminación por parte de posibles organismos alienígenas).

Límites de los cohetes.

Una característica que limita bastante nuestras exploraciones espaciales es el hecho de que un pequeño aumento de la carga útil a ser lanzada al espacio, requiere un aumento enorme en el combustible disponible para el lanzamiento, aumentando el tamaño de nuestro cohete. 

Esto es debido a la pobre eficiencia de los combustibles químicos tradicionales. Es por eso que necesitamos cohetes 'gigantes' para lanzar cargas relativamente pequeñas al espacio. Por poner un ejemplo: el Saturno V era capaz de colocar 110 toneladas métricas en una orbita de 300 km de altura. Pero la masa del cohete cargado de combustible superaba las 3000 toneladas!!! Por ello, una regla de oro en la astronáutica dice 'reduce tu masa' todo lo que puedas.

Para poder mantener la capacidad de carga útil de un vehículo espacial y al mismo tiempo reducir la masa de nuestro lanzador deberemos buscar nuevas formas de propulsión más eficientes.

Efecto Oberth

O como aprovechar al máximo el combustible de una nave espacial usando la gravedad.

El efecto Oberth, también llamado sobrevuelo propulsado (powered flyby), es como se conoce en astronáutica al aprovechamiento de la gravedad de un cuerpo para aumentar bastante la eficiencia de un motor cohete, varios órdenes de magnitud en algunos casos. 

Un cohete produce la misma fuerza independientemente de su velocidad. Pero la variación de la velocidad o Delta-V, cambia dependiendo de en que lugar de una órbita se encuentre nuestra nave espacial.

Básicamente podremos variar mucho más nuestra velocidad (aumentándola o disminuyéndola) si nos encontramos en el punto con mayor velocidad de nuestra órbita. Ese punto es llamado periapsis o periastro y es cuando la distancia al cuerpo celeste es mínima. 

Usemos como ejemplo a la sonda Juno. Cuando fue enviada con destino a júpiter, se hallaba cerca del periastro terrestre (perigeo). Luego de 5 años al llegar al planeta gigante realizó el encendido de sus motores principales para frenar lo suficiente cuando se encontraba en el periastro de Júpiter (informalmente llamado perijovio), si hubiese usado su motor en otro momento no habría podido disminuir lo suficiente su velocidad y hubiera pasado de largo.

Una propuesta de la NASA para un misión precursora interestelar es utilizar está técnica junto a una tecnología emergente como lo es una vela solar. Básicamente necesitamos una sonda que realice una maniobra de asistencia gravitatoria con el Sol desplegando su vela solar durante su paso por el periapsis (llamado perihelio en este caso) para acelerar drásticamente aprovechando el efecto Oberth. 

Con una vela extremadamente fina, tanto que su masa por metro cuadrado no debería superar el gramo y un sobrevuelo a muy corta distancia del sol aproximadamente 2-3 millones de kilómetros de la fotosfera se lograría una velocidad tremenda para un sistema que no transporta combustible, como una vela solar (otra cuestión es si la tecnología actual puede construir una vela tan ligera y resistente a las altas temperaturas).

De esta manera conseguiríamos alcanzar una velocidad de aproximadamente 1000 km por segundo, un 0,3% de la velocidad de la luz!!!

Recordando al Challenger.

El día de hoy, 28 de enero, se cumplen 32 años del accidente del transbordador espacial Challenger.

La causa del accidente fue el fallo de los anillos aislantes de uno de los aceleradores de combustible sólido. Estos anillos debían impedir la fuga de gases incandescentes del interior cohete para evitar que la estructura exterior pudiera resultar dañada.

El diseño era en apariencia correcto, pero presentaba un gravísimo inconveniente: la goma de los anillos era extremadamente sensible a las bajas temperaturas. Por debajo de los 4º C, los anillos sufrían una notable pérdida en su capacidad de sellado. La noche antes del lanzamiento, la temperatura en Cabo Cañaveral alcanzó los -8º C, la más baja registrada en la historia del programa del transbordador antes de un despegue. Paradójicamente, el Challenger debía haber sido lanzado el 27 de enero, un día antes. De hecho, el día 27 la tripulación llegó a ocupar la cabina esperando el despegue, pero un fallo de la escotilla principal obligó a retrasar la misión hasta el día siguiente. De haber sido lanzado el 27, es posible que se hubiese evitado la tragedia.

Evidentemente, si el Challenger no hubiese despegado ese día la tragedia no hubiera tenido lugar. Pero más tarde o más temprano habría ocurrido otro accidente catastrófico, porque el fallo de la STS-51L no había sido un hecho puntual. El diseño de los SRB era claramente deficiente y esto ya se sabía nada más y nada menos que desde 1977

El principal problema que impidió cambiar el diseño defectuoso es que tenían prisa por tener listo al transbordador (gran parte del dinero fue puesto por el ejercito de EEUU que lo quería tener ya para sus misiones militares) que ya debería haber estado listo para 1978 (recién lo estuvo en 1981) rediseñar los SRB hubiera demorado mucho más la entrada en servicio del shuttle.

Los físicos recordamos con cariño a Richard Feyman, pues el participó de la comisión Rogers, formada para estudiar de forma independiente la tragedia. La opinión de Feyman sobre la causa del accidente fue diferente de la oficial, y considerablemente más crítica sobre el papel jugado por la dirección de la NASA de aquel entonces al dejar de lado las preocupaciones de los ingenieros. La Comisión Rogers puso en evidencia los graves fallos en la política de seguridad de la agencia espacial norteamericana. 

El transbordador se había revelado como una máquina insegura y costosa, por lo que la agencia comenzó con el desarrollo de nuevas naves tripuladas, que lastimosamente nunca vieron la luz. El programa del shuttle continuó solo por inercia hasta que en 2003 se produjo otro accidente (Columbia) por lo que la agencia decidió retirarlo del servicio lo antes posible, hecho que ocurrió en 2011 pues los compromisos asumidos con la construcción de la estación espacial internacional evitaron que el transbordador sea retirado inmediatamente.

¿Cuanto tarda un satélite en caer?

Para poder entender cómo los objetos en órbita caen a la tierra debemos tener en cuenta dos factores principales: La velocidad orbital y la resistencia atmosférica.  

Los objetos en órbita alrededor de un cuerpo celeste se mueven a velocidades que dependen de la distancia al mismo. Recordemos que un cuerpo se mueve más rápido cuando se halla más cerca de un planeta u otro cuerpo celeste, de la misma manera se moverá más lento a mayores distancias. Cuando un satélite artificial pierde altitud el mismo está ganando velocidad, y cuando eleva su altitud la pierde.

En cuanto a la atmósfera, a pesar de que se considera a los 100 km como el límite donde comienza el espacio (Línea de Karman), en realidad está no desaparece abruptamente sino que a medida que ganamos altitud se vuelve mucho menos densa, pero incluso a grandes distancias aun está presente ejerciendo una fuerza de frenado atmosférico.

El frenado atmosférico es más eficiente cuando la velocidad del objeto es mayor. Es por eso que los objetos en orbita baja (mayor densidad atmosférica y mayores velocidades orbitales) caen más pronto que los que se hallan en órbitas elevadas (menor densidad atmosférica y menor velocidad orbital).

Cabe recordar que la duración de caída de un cuerpo a la tierra (en el vacío) es independiente de su masa, como ya nos explicó Galileo, por lo que el tiempo aproximado en que un objeto caerá se puede calcular conociendo la altura de su órbita.

Veamos entonces los tiempos de caida en función de su altura.

Altura                               Tiempo estimado.

100 km                                Minutos 

200 km                                Días o semanas

380 km (ISS)                       Años

600 km  (Hubble)                Décadas

1000 km                              Milenios

5000 km                              Decenas de milenios

35,800 km (GEO)                Millones de años

100,000 km                         Miles de millones de años

*GEO: órbita geoestacionaria.

Si bien estos son los principales factores que inciden en la caída de un objeto a la tierra no son los únicos pues tenemos a los efectos gravitatorios terrestres (el campo gravitatorio de la tierra no es completamente uniforme), las perturbaciones de la luna, el sol y los demás planetas, así como a la influencia del viento solar.

El más esperado.

Durante este año, a finales de mes si no hay más retrasos, debe despegar por primera vez el que se convertirá en el cohete con mayor capacidad de carga actual. El Falcon Heavy de SpaceX, con una capacidad de más de 60 toneladas métricas en orbita baja y mas de 21 toneladas en orbita de transferencia geoestacionaria. 

Este lanzador es la gran esperanza de aumentar el acceso al espacio, ya que trasporta mas del doble de carga que el siguiente lanzador (Delta 4 heavy) a solo un tercio del coste de este, abaratando bastante el precio por carga enviada al espacio.

Será el cohete más grande en servicio hasta que en 2019 debute el SLS de la NASA en su versión Block 1 que podrá llevar más de 70 toneladas a la órbita baja.

El primer telescopio lunar.

Durante la misión lunar del Apolo 16 los astronautas llevaron a nuestro satélite un telescopio sensible al ultravioleta, el Far Ultraviolet Camera/Spectrograph.

Como el ultravioleta lo absorbe la atmósfera terrestre es imperativo situar los telescopios fuera de la Tierra (o al menos en un globo a 40km de altura). El estudio de la radiación UV de objetos astronómicos es importante porque estas emisiones provienen de objetos que son mucho más caliente que nuestro Sol.

El telescopio lunar, de 3 pulgadas, estaba preparado para obtener imágenes y espectros a longitudes de onda entre 500 y 1600 Angstroms. Estas longitudes de onda son en las que emiten principalmente estrellas masivas de tipo O.B y A con temperaturas superficiales de entre 10.000 a 15.0000 K.

También se estudió a la tierra en dichas longitudes, la atmósfera superior (la ionosfera) y especialmente sus auroras). El telescopio contribuyó además al estudio del sol y de algunas galaxias cercanas.

En total el telescopio tomo 178 fotografías, el carrete fotografico que las contenía fue retirado durante el último paseo lunar del Apolo 16 y regreso con os astronautas a la tierra mientras el telescopio ultravioleta se quedó en la luna.

Salvando a la tierra con una vela solar

Una de las formas más fáciles en las que podríamos desviar un asteroide potencialmente peligroso para la tierra, si es que disponemos de mucho tiempo (varias décadas) es utilizar una vela solar. La misma sería muy ligera y fácil de llevar hasta el asteroide, una vez anclado al mismo esta se desplegaría y provocaría un tenue impulso que lentamente sacaría al asteroide de una trayectoria potencialmente peligrosa.

Visitando a Plutón con una sonda Galileo

Durante los años 80 se propuso la sonda Interstellar Precursor Mission de la NASA. Tenía por objetivo mandar una enorme sonda a la heliopausa, la frontera del sistema solar donde el viento solar deja paso al medio interestelar, en un tiempo relativamente corto. La sonda tendría una masa de unas 90 toneladas y, por lo tanto, debería ser ensamblada en órbita terrestre mediante más de cinco misiones del transbordador espacial. Equipada con un reactor nuclear, usaría un sistema de propulsión eléctrico (NEP) con motores iónicos.

Esta misión debía llevar una sonda para el estudio del, entonces, noveno planeta que se separaría al pasar por sus cercanías. Este orbitador sería similar a la sonda Galileo para el estudio de Júpiter.

La sonda para plutón usaría una etapa propulsiva (del tamaño de un pequeño cohete en toda regla) con el fin de reducir su elevada velocidad y colocarse en órbita alrededor de Plutón, algo que, con suerte, tendría lugar durante la primera década del siglo XXI.

Aprovechando las posibilidades del space engine imaginamos como hubiera sido este encuentro.

Viajando a los planetas gigantes

¿Podemos enviar expediciones tripuladas a los planetas gigantes?

Aunque en un principio pudiera parecer que enviar seres humanos a júpiter y saturno está fuera de nuestras capacidades tecnológicas actuales, lo cierto es que sabemos muy bien que tecnologías necesitamos para realizar un viaje de estas características (aparte de disponer de un generoso presupuesto).

Una travesía a los planetas gigantes duraría varios años, 4 a 5 como mínimo por lo que nuestra nave interplanetaria deberá contar con un modulo de aceleración centrípeta el cual produciría una gravedad artificial que evitaría muchos de los problemas asociados a las prolongadas estancias en micro gravedad. 

La nave deberá disponer de sistemas de soporte vital más avanzados que los que actualmente dispone la estación espacial internacional, reciclar el agua, depurar el aire y probablemente los astronautas deberán cultivar su comida para reducir la masa total de la nave. 

Ningún motor con combustibles tradicionales seria capaz de semejante hazaña por lo que un motor térmico-nuclear o eléctrico-nuclear será necesario. Una ventaja que tienen los planetas gigantes es que sus densas atmósferas podrían utilizarse para frenar a nuestra nave espacial sin necesidad de usar combustible tan solo usando un escudo en el frente de la nave, ya tenemos prototipos de dispositivos de aerocaptura, pero es una tecnología que debe refinarse más. 

Por último debemos desarrollar mejores y más eficientes protecciones contra la radiación del medio espacial, probablemente sistemas activos que generen poderosos campos magnéticos serian una buena solución, se espera tener prototipos de esta tecnología en los próximos años.

La nueva generación de exploradores robóticos

En 2018 la NASA lanzará por primera vez su cohete gigante SLS en la llamada Exploration Mission-1 (EM-1), y que servirá tanto como demostración de la capacidad del nuevo cohete (mayor que el Saturno V de las misiones Apolo) como para enviar una nave Orión no tripulada a un viaje más allá de la órbita lunar, el primer paso para el retorno de los vuelos tripulados a nuestro satélite, y preparando el camino para futuros vuelos al espacio profundo, con Marte como meta. 

Pero Orión no viajará sola 13 pequeños vehículos espaciales, popularmente conocidos como CubeSats, viajarán también en el. Estos son los primeros vehículos conocidos como cubesats de "espacio profundo". 

Todo un ejemplo del que podría ser el futuro de la exploración interplanetaria, protagonizada no tanto por grandes sondas individuales, sino por una gran flota de pequeños exploradoras, mucho más baratas de construir.