NeoFronteras

¿Cómo ir a Marte?

Área: Espacio — lunes, 27 de julio de 2009

Se están desarrollando nuevas tecnologías que permitirían viajar a Marte en 39 días o establecerse en la Luna. Todo depende de la voluntad política y del abandono del conservadurismo tecnológico.

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Prueba de un motor VASIMR en un cámara de vacío.

Ahora que se ha cumplido el 40 aniversario del primer viaje a la Luna algunos sueñan con la vuelta a la misma o el viaje a Marte. Pero ir a Marte con la actual tecnología consiste en torturar a unos astronautas durante un viaje de muchos meses en un lugar pequeño, cerrado y sin gravedad. Encima habría que someterlos a una fuerte irradiación al estar fuera de la protección del escudo magnético de la Tierra. Si durante el viaje hay una tormenta solar entonces llegarán muertos a su destino. Si sobreviven, una vez que lleguen tendrán que hacerse nuevamente al influjo de la gravedad y trabajar sobre la superficie marciana con los huesos descalcificados. Además, puede que tengan que esperar casi un año allí hasta que las posiciones orbitales de a Tierra y Marte sean otra vez propicias. Luego les quedaría el viaje de vuelta.
Un motor cohete funciona de una manera sencilla. Por la tobera de escape expulsa gas a gran velocidad, por el efecto de acción y reacción el cohete se desplaza en dirección contraria. La velocidad del cohete depende de la velocidad de los gases que expulsa y la velocidad de estos depende de su temperatura. A mayor temperatura mayor velocidad. El rendimiento dependerá del peso del combustible y del oxidante, y de la energía que liberen éstos al reaccionar químicamente entre ellos. Para facilitar las cosas los cohetes tienen varias etapas en las que se deshacen del peso que supone los depósitos de propergoles y los motores asociados a ellos ya usados.
Para ir a Marte se necesitan muchas provisiones y mucho combustible que hay que colocar en órbita terrestre baja.
El coste total de un viaje a Marte sería carísimo, no sólo por los costes de desarrollo, sino por la gran cantidad de materiales que habría que colocar en órbita alrededor de la Tierra para montar allí la misión. Algunos expertos han propuesto ahorrar peso mediante la fabricación de combustible (concretamente oxígeno y metano) a partir de los materiales que se puedan encontrar en la superficie marciana, pero esto es un poco arriesgado si el sistema falla.
En resumen, no es nada fácil ir al planeta rojo. No es de extrañar que de momento ese viaje haya quedado relegado, sobre todo porque, aparte de la epopeya que significaría ese viaje, no hay gran cosa que hacer por allí.
Por todas estas razones hay expertos que piensan en tecnología alternativas que con menos combustible y gasto nos permitan un viaje rápido a Marte. Desde hace décadas se viene pensando en tecnologías alternativas, pero las políticas conservadoras de las agencias espaciales no las han fomentado o desarrollado.

Es justo ahora cuando tímidamente empiezan a dar cierto impulso a algunas alternativas. Así por ejemplo la sonda de la NASA Dawn, en ruta hacia el asteroide Vesta y el planeta enano Ceres, emplea un motor iónico. En ese tipo de motores se ioniza un gas y se acelera por campos electromagnéticos a gran velocidad, mucha mayor velocidad de la que se conseguiría por medios químicos. El sistema se alimenta con energía eléctrica procedente de paneles solares y necesita poca cantidad de gas. La idea original de la propulsión iónica tiene más de 40 años.
El empuje es escaso y proporciona una aceleración muy pequeña, pero ésta se puede mantener durante largos periodos de tiempo, incluso años, alcanzándose grandes velocidades al final de ese periodo. Ya se ensayó este sistema en la sonda Deep Space de la NASA hace tiempo con cierto éxito. Pero sólo se puede emplear este sistema en las condiciones de vacío e ingravidez del espacio, pues en tierra es incapaz de vender la aceleración de la gravedad terrestre.
Se podría emplear varios de estos motores en formación para conseguir mayor aceleración, pero la alimentación requerida debe de ser nuclear. Había un proyecto de este tipo de una sonda no tripulada a Europa (luna de Júpiter) que finalmente fue cancelado.

Hay una alternativa mucho más poderosa que permitiría viajes tripulados, incluso un viaje tripulado a Marte que podría realizarse en sólo 39 días.
Un motor tipo VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) lleva al extremo el concepto de calentar una gas y expulsarlo por una tobera. En lugar de utilizar una reacción química para calentarlo se utilizan sistemas electromagnéticos. Pero para conseguir mayor velocidad en los gases se necesita mayor temperatura y a esas temperaturas el gas se transforma en un plasma (una mezcla de iones y de electrones libres).
En una cámara magnética, similar a las empleadas en los sistemas de fusión nuclear, se calienta un gas (argón) mediante un generador de frecuencias de radio y finalmente se le deja escapar por una tobera también magnética. Al igual que el motor iónico, el empuje no es muy grande, pero puede mantenerse durante mucho tiempo. Lo interesante es que además se puede variar el empuje expulsando más o menos gas.
La compañía Ad Astra Rocket Company, fundada por el ex-astronauta Franklin Chang-Diaz en 2005, ya ha cosechado ciertos éxitos en este tipo de motores. Recientemente ha dado a conocer algunos de sus logros (ver enlaces).
Este tipo de motor podría emplearse para un viaje desde la órbita terrestre a la órbita marciana a gran velocidad usándolo en modo eficiente: poco plasma expulsado pero a un millón de grados de temperatura. De este modo no hace falta mucho gas propulsor ahorrándose mucho peso.
No hace falta decir que todo el plasma está controlado (confinado y expulsado) por campos magnéticos, pues si toca cualquier material su temperatura lo haría volatilizarse.
Jared Squire, director de investigación de Ad Astra, afirma que el motor que han desarrollado es la fuente superconductora de plasma más poderosa nunca construida.
De momento han ensayado el motor a una potencia de 50 kilovatios, pero pronto esperan subir esta potencia a 200 kilovatios, que proporcionaría un empuje de 5 newtons. En el espacio sería suficiente como para impulsar 2 toneladas de carga.

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Esquema de funcionamiento de un motor VASIMR.

Ad Astra y NASA tiene un acuerdo para probar el sistema en la estación espacial para 2012 ó 2013. Si tiene éxito podría servir para mantener la estación en su órbita correcta de forma económica, ya que la fricción con las capas altas de la atmósfera la hace caer poco a poco.
Alimentado con energía solar este sistema podría servir para subir satélites hasta sus órbitas correctas, llevar carga a la Luna o incluso desviar asteroides peligrosos en rumbo de colisión con la Tierra.

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Para viajar a Marte en 39 días se necesitaría 1000 veces más energía, energía que sólo podría proporcionarla un reactor nuclear. Algo que a los ecologistas radicales seguro que no les gusta nada. El sueño sería utilizar un plasma de fusión nuclear que a la vez produjera la energía necesaria sin necesidad de alimentación externa.
Estos sistemas podrían hacer de “autobus” reusable entre la Tierra y la Luna o entre la Tierra y Marte, por lo que a largo plazo saldrían baratos. Pero el cuello de botella (además del coste de desarrollo) sigue siendo colocar cargas en órbita terrestre baja o LEO. Un lanzador pesado es imprescindible y de momento no contamos con él, hasta que se desarrolle el Ares (unos pocos vuelos del Saturno V hubiera bastando para construir la estación espacial a un precio mucho más bajo).

Pero si queremos hacer de la presencia humana algo más asequible necesitamos de otros sistemas más baratos de colocar carga y astronautas en LEO. Al comienzo de la carrera espacial había en liza dos estrategias: la del avión espacial y la del cohete. Finalmente ganó la fuerza bruta del cohete, entre otras cosas porque era la más rápida en desarrollar. Pero ahora se mira con buenos ojos el concepto de avión espacial. Entre sus ventajas está la no necesidad de una compleja instalación en tierra (bastaría con una pista de despegue) la posibilidad de reusarse y la de ayudarse de alas para el despegue y aterrizaje.
Para alcanzar la órbita terrestre hace falta una velocidad de 25 veces la del sonido o 25 Mach, velocidad nada fácil de alcanzar. Una manera es la de crear una avión con un motor cohete convencional pero para alcanzar esa velocidad necesitaría gran cantidad de combustible y oxigeno líquido que le haría de una tamaño descomunal. Una opción es montarlo encima o debajo de otro avión y cuando esté a gran altura encender el cohete para volar libremente. Pero alcanzar la órbita con este concepto no sale barato, y es la razón de que ahora se jubile a la lanzadera espacial, además de por razones de seguridad.
El 85% del peso de un cohete químico viene determinado por el oxígeno líquido que se utiliza de oxidante, pero en la atmósfera hay mucho oxígeno, se podría utilizar un motor a reacción que utilizase precisamente ese oxígeno para acelerarse en la atmósfera y así ahorrar peso. Pero los motores a reacción convencionales sólo pueden llegar a Mach 2. Para mayor velocidad se utilizan otros diseños que ahora están siendo desarrollados por los departamentos militares para ser usados en misiles. Uno curioso se basa en el sistema pulsante utilizado por las V1 alemanas de la segunda guerra mundial que al parecer alcanza rediseñado Mach 4. Pero los más prometedores son los scramjets, en los cuales el gas de entrada es comprimido por la propia geometría del sistema, que carece de turbinas o algo similar. Lo malo es que deben de alcanzar una velocidad de Mach 4 para empezar a funcionar, pero una vez encendidos son capaces de alcanzar altas velocidades. La marca actual la ostenta el X-43A de la NASA con una velocidad de Mach 9,68 (no muy lejos de los Mach 12 teóricos como máxima velocidad alcanzable con este tipo de dispositivos). De momento sólo se consigue esta velocidad durante unos segundos.
Varios países tienen programas de desarrollo de este tipo de motores y algunos parecen que están cerca de contar con misiles basados en esta tecnología. No es fácil desarrollar este tipo de motores y que funcionen durante largos periodos de tiempo, pues lo materiales sufren un increíble calentamiento debido a la fricción con la atmósfera y al aire entrante. Incluso en los primeros prototipos la combustión se daba a la salida de la cámara de combustión y no se producía empuje.

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Esquema de funcionamiento de un scramjet. Foto: Newscientist.

Un avión espacial usaría un tipo diferente de motor en cada franja de velocidad hasta finalmente alcanzar la órbita con motores cohetes químicos convencionales.
Otra propuesta diferente es la de Skylon y su motor Sabre, que de momento está sólo sobre el papel. En este caso una toma de aire comprime al aire atmosférico que alcanza los 1000 grados centígrados. Luego, gracias a un intercambiador de calor, se reduce su temperatura hasta los 100 grados bajo cero, entonces se mezcla con hidrógeno líquido para ser usado de manera convencional en un motor cohete. Este sistema trabajaría de 0 a Mach 5.5 hasta una altura de 26 km a partir de á cual funcionaria como un cohete convencional.
Quizás toda esta tecnología permita ir una día a Marte o a la Luna de manera económica, pero los turistas espaciales que orbiten alrededor de la Tierra sólo podrán seguir siendo multimillonarios por mucho tiempo.

Fuentes y referencias:
Web de Ad Astra .
Vídeo.
Newscientist.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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11 Comentarios

  1. ezeqdb:

    El caso del avión espacial que comentas fue llevado a la práctica y resultó ganador del concurso XPrize: el SpaceShipOne que hizo varios vuelos pero no se como seguirá.
    Y una alternativa al alto consumo de combustible sería la construcción del mítico ascensor espacial..
    Que aunque es ciencia ficción, el artículo en wikipedia dice que si se sigue desarrollando la tecnología de nanotubos de carbono, podría hacerse algo parecido algún día (lo comento como alternativa al uso cavernícola de la fuerza bruta de cohetes).

  2. tritio:

    Excelente artículo, muy exclarecedor y didáctico. Ojalá los gobiernos acepten estas propuestas y podamos ver a medio plazo una epopeya como esta.
    Saludos.

  3. Fernando:

    Llevo viendo el desarrollo de este motor desde hace tiempo y la verdad es que es una maravilla, es de hecho la mejor idea para la exploración del sistema planetario y dicho sea de paso una exploración elegante y con clase, sobre el tema de los 39 días es utilizando un pequeño reactor nuclear como generador de energía eléctrica y que 200 kw con paneles solares es bastante complicado.

  4. NeoFronteras:

    Estimados lectores:
    Sigo con los problemas de comunicación y recuperándome. Agradezco los buenos deseos expresados por algunos de ustedes.
    Me gustaría participar con más comentarios y poder hacer correcciones a los errores que se han colado, pero no puede ser. Hay post encolados para que esto siga fluyendo en modo automático al menos durante esta semana.

    En cuando al espacio, está muy cerca, a sólo 100 Km. Es muy fácil ir allí, como el SpaceshipOne demuestra, lo difícil es entrar en órbita (se necesitan más de 7 km/s) y hacer una reentrada y no quemarse en el intento.

  5. Joabbl:

    Para mí un punto clave de la cuestión de ir a Marte es lo que dice el artículo : “no hay gran cosa que hacer por allí”. Los tiempos de la guerra fría ya pasaron y ya no hay nada que demostrar a los rusos. Personalmente me parece que sería una aventura tan cara como inútil y peligrosa. No ya así el desarrollo de toda la tecnología que hay alrededor, como por ejemplo los motores iónicos. Hay un articulo muy interesante al respecto en el Investigación y Ciencia del (creo, aquí no tengo el dato) mes de abril pasado. Los motores iónicos tienen futuro al margen de un viaje a Marte. La sonda GOCE de la ESA lleva uno sin ir más lejos. Si se trata de asentarse en algún sitio la luna me parece mejor porque está más cerca y podría llegar a ser explotable de alguna forma rentable. Para tirar dinero ya está la estación espacial. Por cierto, ¿alguien sabe para qué sirve? ¿Los experimentos que hacen han servido para descubrir algo importante que justifique semejante inversión?

    Saludos a todos

  6. lluís:

    Ir a Marte seguro que es caro y peligroso. Por lo menos por ahora. Inútil, no creo. No lo sabemos todo sobre Marte. Indudablemente sería una gesta. La llegada a la Luna hizo que al menos por unos días algunos/as se enterasen de que existe una cosa que se llama “ciencia” e incluso produjo algunas controversias de tipo “especulativo-religioso”. Puedo prometer y prometo que aún ahora hay gente que cree que el Sol se oculta en algún lugar físico. Otra buena noticia es que el “jefe” se está recuperando. Hubiera sido interesante ver algún comentario suyo en ese debate que se ha originado en el asunto del “camino cuántico, de Feynman”. Saludos a todos y un recuerdo para Neo. Esperamos sus comentarios.

  7. Joabbl:

    Lluís : Desde luego que no lo sabemos todo sobre marte, pero por el precio de una misión tripulada podríamos enviar decenas o cientos de sondas que descubrirían muchas más cosas que unos señores dándose un paseo. Otra cosa por supuesto es el tema del marketing. Por unos días nos olvidaríamos del dichoso fútbol y de las carreras de motos, coches, sacos y demás y la atención del mundo estaría pendiente de una expedición a Marte. Pero si saliese mal (realmente mal) el impacto podría ser demoledor para la investigación espacial durante muchos años. Tal y como va el mundo incluso definitivamente : la excusa perfecta para ahorrar dinero para gastarlo en misiles. En cambio me parece a mí que con proyectos más humildes aunque menos mediáticos se podría llegar mucho más lejos en el conocimiento. Siempre a la espera del descubrimiento del hiper-mega-super-impulsor definitivo que permita llegar lejos de verdad sin jugarse la vida a la ruleta rusa ni los presupuestos del estado, que todos sabemos cómo están en estos tiempos.

    Saludos a todos

  8. lluís:

    Sí, sí, en eso estoy completamento de acuerdo contigo.Sólo faltaría que tostaramos unos cuantos astronautas a base de radiaciones ionizantes, para que los oportunistas de siempre(seamos claros, los que odian la ciencia que son muchos y poderosos)reafirmasen por enésima vez el estereotipo del científico medio loco, asexuado y abstraido de la realidad cotidiana.Mucho mejor si se utilizase inteligencia artificial.Saludos joabbl, extensivos a todos.

  9. ota:

    Te estas olvidando de otra manera de poner cargas en orbita baja, el asensor espacial.

  10. JOrge:

    Yo nací en los 60tas y, como a todos los de esa generación me vendieron un futuro que no se ha hecho realidad. La verdad me gustaría que gastáramos lo que fuese, mandáramos unos tipos a Marte y estableciéramos una base permanente ahí; punto.
    Sin embargo la realidad es otra y a veces creo que fue ese hiperoptimismo de nuestra generación lo que nos llevó al fracaso posterior que nos ha cerrado el acceso al espacio por décadas a los humanos (nadie ha subido mas arriba de la órbita baja desde los Apolo)
    La verdad necesitamos, como dice el articulo propulsión barata y eficaz. Mientras dependamos de los cohetes químicos el espacio estará muy, muy lejos… Creo que si no vemos algo radicalmente diferente a lo que tenemos hasta ahora, basado en algún desarrollo de la física totalmente novedoso seguiremos varados.

  11. tritio:

    Buenos días.
    En mi opinión no se trata de si es caro o no, si es útil o no. Actualmente se tira el dinero, en órdenes de magnitud superiores a lo que costaría un viaje a marte, en proyectos absurdos y que no nos reporta a la humanidad ningún tipo de beneficio tangible.
    Creo que deberíamos conquistar el Planeta Rojo sólo por el ímpetu explorador inherente al ser humano, ese ímpetu que nos ha llevado históricamente a realizar gestas que hasta el momento de su consumación eran inimaginables por las mentes de antaño.
    Es cierto que es caro y los costes de oportunidad son elevadísimos en un proyecto como este. Pero que hubiese sido de la humanidad si no se hubiese descubierto América por ejemplo (sé que en proporción el costo de aquel viaje comparado con este es irrisorio), lo que quiero destacar con esto es el deseo del ser humano de encontrar nuevas fronteras ;).
    Es un primer paso. Es lógico pensar que, después del costoso y moralmente cuestionable primer paso, luego y a medida que se adquiera la experiencia necesaria los costes se irán reduciendo y con el paso del tiempo (a muy largo plazo) quizás se convierta en algo rutinario.
    A lo mejor soy demasiado optimista como se comenta por ahí arriba, pero es que no puedo evitar pensar que es posible y que si no se hace es simplemente porque no nos apetece. O más bien, a la clase política no le apetece enfrentarse a una polémica de esta magnitud en tiempos de crisis.
    Saludos.

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