Naves espaciales: de las fantas¨ªas de Hollywood a los trucos reales para visitar mundos lejanos

Para hacernos una idea de la dificultad de mandar una nave al espacio, podemos recurrir a datos de veh¨ªculos de nuestro d¨ªa a d¨ªa. Un coche normal lleva unos 50 litros de gasolina para hacer unos 600 kil¨®metros a velocidades m¨¢ximas de 120 kil¨®metros por hora. Un avi¨®n Airbus A350 usa unas 90 toneladas de combustible para recorrer 15.000 kil¨®metros a velocidades de hasta 1.000 kil¨®metros por hora. Es decir, para recorrer una distancia 25 veces mayor, un avi¨®n emplea 1.800 veces m¨¢s combustible, siendo capaz de viajar ocho veces m¨¢s r¨¢pido que un coche. Conclusi¨®n: la cantidad de combustible necesaria para alcanzar velocidades cada vez m¨¢s altas se incrementa exponencialmente.

Para lanzar una nave al espacio hemos de recurrir al famoso tiro parab¨®lico que aprendemos en el colegio, pero haciendo que suba desde el lanzamiento y luego no baje. La velocidad necesaria para insertar un artilugio en una ¨®rbita baja alrededor de la Tierra es de 28.800 kil¨®metros por hora. Pero si el objetivo es escapar completamente de la Tierra, la velocidad necesaria aumenta a casi 40.000 kil¨®metros por hora. Esto es, 40 veces m¨¢s r¨¢pido que un A350. El combustible necesario, incluso con un motor mucho m¨¢s potente que el del avi¨®n, es tremendamente grande.

Cuando la carrera espacial a¨²n no era m¨¢s que un sue?o, a finales del siglo XIX, Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky lo describi¨® con ecuaciones. Estudi¨® la limitaci¨®n f¨ªsica de un artilugio, con un motor simple, para alcanzar una velocidad suficientemente alta como para escapar de la atracci¨®n gravitatoria terrestre y orbitar alrededor de la Tierra. Este f¨ªsico ruso determin¨® que cuanto mayor sea lo que queremos poner en ¨®rbita, m¨¢s tiempo le costar¨¢ al motor acelerar el sistema. Y si el motor tiene que estar activo m¨¢s tiempo, entonces necesita m¨¢s combustible, que lo hace m¨¢s pesado, y entonces el motor tiene que operar a¨²n m¨¢s tiempo. Adem¨¢s, si queremos lanzar no solo ese motor y su combustible, sino tambi¨¦n una carga ¨²til para alguna otra cosa (como visitar la Luna), habr¨¢ una parte de la masa del cohete que no ayuda nada a ganar velocidad, solo lo dificulta.

En definitiva, Tsiolkovsky escribi¨® la llamada ecuaci¨®n de los cohetes, que nos dice que el problema de acelerar un cohete para que escape de la Tierra, o al menos orbite alrededor de ella, llega a un callej¨®n sin salida f¨¢cilmente, ya que el combustible necesario escala exponencialmente con respecto a la velocidad que se quiera ganar.

Con estos conceptos de f¨ªsica e ingenier¨ªa en mente, la exploraci¨®n espacial tuvo que sacarse de la manga varios trucos para ser viable. El primero lo aport¨® el propio Tsiolkovsky, quien no se qued¨® en escribir la ecuaci¨®n del cohete, sino que adem¨¢s busc¨® la soluci¨®n para que nuestros sue?os de viajar m¨¢s all¨¢ de nuestro planeta se pudieran hacer realidad. Y desarroll¨® la teor¨ªa que hoy conocemos como cohete multietapa: un cohete que va soltando lastre en varias etapas, cada una de ellas propulsada por un motor diferente.

Pongamos el ejemplo del cohete Ariane 5, que hace dos semanas puso en ¨®rbita la nave interplanetaria Juice. En el lanzamiento, un primer motor extremadamente potente ayudado por otros dos propulsores de combustible s¨®lido aceleraron el cohete y su carga ¨²til hasta los 9.000 kil¨®metros por hora en unos dos minutos. En ese momento, a una altura de unos 60 kil¨®metros, solt¨® los dos propulsores que, exhaustos y ya inservibles (no se reutilizan), solo aportaban masa muerta. Al librarse de esa masa, y con una atm¨®sfera mucho m¨¢s tenue que no frena demasiado el cohete, el Ariane 5 pudo seguir acelerando y llegar hasta los 25.000 kil¨®metros por hora, a una altitud de unos 150 kil¨®metros.

Y entonces se puso en marcha una segunda etapa, que durante m¨¢s de 15 minutos aceler¨® el cohete hasta los m¨¢s de 32.000 kil¨®metros por hora. Salir de la Tierra a base de etapas de propulsi¨®n, primer truco f¨ªsico para resolver el principal problema de la exploraci¨®n espacial desde la superficie terrestre. Bastante diferente a lo que se ve en las pel¨ªculas como Independence Day o en series como V, con una nave elev¨¢ndose tranquilamente sobre el suelo para llegar a la nodriza que est¨¢ en ¨®rbita. Estamos muy lejos de una propulsi¨®n as¨ª.

El problema de los l¨ªmites de masa (y, por tanto, del combustible) tambi¨¦n se deja notar en otro truco de la exploraci¨®n espacial. Lo ide¨® en primer lugar un ucranio, Yuri Kondratyuk, que hace poco m¨¢s de un siglo dio bastantes m¨¢s ideas para la exploraci¨®n espacial.

El asunto est¨¢ relacionado con una falsa idea que nos han contado en muchas pel¨ªculas. En la realidad, las naves que han ido a la Luna, o las sondas que han ido a otros planetas como Marte o J¨²piter, no van con sus motores encendidos continuamente. Solo los encienden en momentos muy precisos y durante unos segundos (como mucho, durante unos minutos) en viajes que duran a?os. Una nave en el espacio exterior no es un coche, no se mueve por el impulso de un motor, sino que el campo gravitatorio en el que se encuentra inmerso hace la mayor parte del trabajo. No se puede estar a?os con un motor encendido recorriendo centenares o miles de millones de kil¨®metros. Pero si te dejas llevar por la gravedad, ir¨¢s donde ella te diga, as¨ª que necesitamos alg¨²n truco para ir a nuestro destino preferido.

Imagin¨¦monos yendo en un coche a velocidad m¨¢s o menos constante y tomando una curva. Si aceleramos mucho dentro de la curva, lo m¨¢s probable es que salgamos despedidos. Esto es lo que hacen las sondas espaciales que pretenden viajar a planetas o sat¨¦lites lejanos. Una vez que se encuentran en una ¨®rbita estable alrededor del Sol, pueden llegar cercan de un objeto masivo como el planeta Venus. Al acercarse, el espacio-tiempo se curva (debido a la gravedad del planeta) y la trayectoria de la sonda se modifica, ganando adem¨¢s velocidad. Y si en el momento adecuado enciende sus motores, como el coche que acelera en la curva, la sonda f¨¢cilmente entrar¨¢ en otra ¨®rbita mucho m¨¢s abierta y veloz, que la llevar¨¢ a los confines del sistema solar.

Una leyenda espacial con la que nos enga?an en pel¨ªculas: las naves que viajan a otros planetas no van con sus motores encendidos continuamente. No es un coche; el campo gravitatorio hace la mayor parte del trabajo

El truco no solo funciona encendiendo motores. Una sonda espacial puede obtener un empuj¨®n gravitatorio sin m¨¢s. Imaginen al explorador planetario Juice orbitando alrededor del Sol en una ¨®rbita cerrada, una elipse o una casi circunferencia como la ¨®rbita de la Tierra. Si no hubiera nada m¨¢s, ah¨ª se quedar¨ªa. Pero si hacemos nuestros c¨¢lculos bien y sincronizamos la trayectoria de la nave con la de un planeta, le dar¨¢ un aceler¨®n extra a la sonda. El planeta seguir¨¢ su curso sin enterarse, pero de manera efectiva le habr¨¢ dado a la sonda algo de energ¨ªa, una insignificancia para el astro. Sin embargo, para nuestra nave el resultado ser¨¢ que gane velocidad y pase a una ¨®rbita m¨¢s abierta, incluso con una velocidad superior a la de escape del sistema solar. ?Que se lo cuenten a la Voyager!

Juice jugar¨¢ a estos empujones gravitatorios durante seis a?os. El problema estar¨¢ despu¨¦s en frenar la sonda espacial si queremos que se pare a explorar un planeta lejano: ah¨ª se puede jugar al gato y al rat¨®n y acercarse al astro por el lado contrario, de manera que su gravedad frene la sonda y la haga caer a una ¨®rbita menos energ¨¦tica. Con una ignici¨®n de los propulsores limitada, incluso podemos entrar en ¨®rbita alrededor del planeta, algo que ya hemos hecho en misiones como Galileo, Cassini o Juno. Es lo que Juice har¨¢ con J¨²piter primero y luego con Ganimedes, su luna m¨¢s grande.

En una misi¨®n como la de Juice, vemos c¨®mo problemas derivados de nuestras limitaciones tecnol¨®gicas son solucionados con conocimientos de ciencia b¨¢sica, casi de colegio, porque involucran (al menos, en una primera aproximaci¨®n) cosas tan sencillas como la gravitaci¨®n universal y la conservaci¨®n del momento lineal. ?Y nos permiten visitar mundos lejanos!

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de un ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

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