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Futuro del transporte espacial II: El Viaje Interplanetario

Área: Espacio,Tecnología — agosto 1, 2005

Supongamos que tenemos el medio para llevar astronautas a la estación espacial o a órbita baja. Supongamos también que disponemos de medios para depositar y construir en ese lugar pesados sistemas de transporte interplanetario porque queremos volver a la Luna, ir a Marte y también a los planetas exteriores tanto en misiones tripuladas cómo automáticas.

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Sistema de propulsión químico avanzado con sistema de gravedad por rotación. Foto:NASA

Para ir a la Luna no se necesita una tecnología novedosa. De hecho, es posible hacerlo con tecnología de hace 40 años como ya demostró el programa Apolo con seis exitosos alunizajes.
Sin embargo, si queremos ir más allá, por ejemplo a Marte, la cosa se complica un poco. Es necesario el desarrollo de nuevas tecnologías si lo queremos hacer.
Veamos primero en que consiste la propulsión cohete. Todo cohete se basa en la tercera ley de Newton que dice que a toda fuerza se le opone otra de igual magnitud pero de sentido contrario.
Así, cuando los gases calientes son expulsados a gran velocidad por la tobera de un cohete convencional se consigue que el cohete se mueva en sentido contrario por conservación del momento lineal. Cuanto mayor sea la velocidad de los gases de escape mayor será la velocidad final alcanzada por el cohete.
Esta velocidad está relacionada con la temperatura. Las moléculas de cualquier gas se mueven a velocidades altísimas. De hecho el aire que ahora está usted respirando está hecho de moléculas que se mueven a cientos de metros por segundo. Esta velocidad es la última responsable de eso que llamamos presión y aumenta con la temperatura: a más temperatura mayor velocidad.

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Sistema de propulsión a plasma. Foto:NASA

En un motor cohete convencional se mezclan oxigeno e hidrógeno líquidos en una cámara de combustión donde reaccionan quimicamente de una manera violenta desprendiéndose mucha energía.
Las moléculas resultantes de la reacción toman esa energía aumentando su velocidad (y aumentado así la temperatura del sistema).
La tobera redirige estos gases en una dirección que es opuesta a la dirección que deseamos que el cohete tome en su movimiento.
Este sistema funciona bien en la atmósfera terrestre, pues se puede alcanzar una gran velocidad terminal, incluso los 11 km por segundo requeridos para abandonar la Tierra. La distancia recorrida es más bien corta, pues el espacio está a poco más de 100km de altura, pero el viaje se efectua en contra de la gravedad necesitándose una aceleración superior a g (la aceleración de la gravedad en la Tierra). Todo ello se consigue a cambio de usar muchas toneladas de combustible.
Supongamos que queremos ir a Marte utilizando un sistema químico convencional. No podemos poner las miles de toneladas de combustible necesarias para ir a Marte, frenar y volver en un corto periodo de tiempo, pues Marte está muy lejos.
Una solución es hacerlo en un periodo de tiempo muy largo, de incluso años. Marte está orbitando alrededor del Sol, tal y como lo hace la Tierra. Entonces podemos calcular una trayectoria especial teniendo en cuenta ese hecho.

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Sistema de propulsión por plasma de fusión nuclear. Foto:NASA

Se puede lanzar la nave cuando Marte vaya a estar cerca, llegar allí al cabo de muchos meses justo cuando la Tierra ya haya sobrepasado Marte, y quedarse allí un año y medio. El regreso se efectuaría cuando las órbitas fuesen propicias y la Tierra estuviese a tiro.
Ya tenemos tecnología para hacer algo así. Pero, habría que resolver los riesgos de mantener a una tripulación durante tanto tiempo sometida a las radiaciones, a la ingravidez, y sin asistencia médica en caso de problemas de salud graves, amen de otros inconvenientes.
Aunque se esperan mejorar todos estos sistemas químicos de propulsión quizás podamos utilizar otros sistemas alternativos más futuristas y ambiciosos.
Veamos un poquito de física de cohetes primero. El impulso específico se obtiene dividiendo la velocidad de escape de los gases de la tobera por la aceleración de la gravedad terrestre (9,8 m/s2). La unidad del impulso específico es pues el segundo.
La potencia requerida para generar empuje es proporcional al cuadrado del impulso específico. Por tanto, la gran cantidad de empuje necesario para mover pesadas cargas en el espacio requiere de una fuente de energía nuclear o similar.
Vamos a ver cómo podrían ser algunos de estos sistemas (ver tabla comparativa al final del artículo). Todos los casos estarán basados en la Física conocida aunque su construcción tenga una dificultad técnica que puede llegar a ser extrema en algunos casos.
El primer sistema a considerar sería el VSIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). En este sistema se calienta un gas confinado por campos magnéticos hasta que la temperatura le convierte en un plasma (gas neutro formado por iones y electrones). La altísima temperatura de 10.000 a 10 millones de grados Kelvin produciría un empuje muy alto. La ventaja es que este sistema puede ajustar su empuje para proporcionar una aceleración pequeña por largos periodos o grande para cortos periodos de tiempo. El sistema podría alimentarse de un sistema fotovoltaico en una versión de demostración, pero necesitaría de un reactor nuclear de 1 Gigavatio para una misión tripulada real. Modelos a escala ya se han probado con éxito y se espera hacer pruebas en el espacio en algún momento.

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Dibujo del Prometheus. Las láminas son radiadores para disipar calor. (NASA)

Una variación de este sistema sería un sistema de confinamiento magnético de plasma de fusión. De este modo las reacciones de fusión nuclear alimentarían directamente de energía el plasma. Desgraciadamente no disponemos aun de la tecnología que nos permita alcanzar la fusión controlada de un plasma confinado magnéticamente, pero sería un sistema muy eficiente.

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Sistema iónico alimentado por el sol. (NASA)

Otra aproximación al problema es la utilización de una aceleración electromagnética de cargas, o más en concreto de iones.
Propuesto hace décadas, el motor iónico realiza un trabajo pequeño, pero tenaz y continuo.
El truco consiste en acelerar iones a gran velocidad mediante campos electromagnéticos. La cantidad de iones acelerada sería mínima por fracción de tiempo, pero este trabajo se realizaría durante largos periodos de tiempo, incluso años. La aceleración sería mínima pero aplicada durante mucho tiempo puede rendir una alta velocidad terminal.
Esta velocidad final alcanzada por la nave sería muy grande, del orden de la velocidad de los propios iones. Tampoco se necesita llevar mucho propelente, ahorrándose peso y aumentando la eficiencia. Hay varios sistemas propuestos y uno de ellos ya se probó con éxito en la sonda Deep Space que estuvo funcionando durante mucho tiempo utilizando gas Xenón como propelente y energía fotovoltaica como fuente de energía para producir la electricidad necesaria para acelerar dichos iones.
Se ha propuesto una misión no tripulada a los planetas exteriores usando el mismo sistema, pero con un reactor nuclear de fisión convencional (allí casi no hay luz solar suficiente para alimentar un sistema fotovoltaico) como fuente de alimentación. El proyecto fue denominado Prometheus.
Una preocupación sobre este proyecto sería el riesgo de lanzar desde tierra con un cohete corriente un reactor nuclear, porque en caso de accidente habría problemas medioambientales, aunque bastante menos que los que se podrían haberse producido en el mismo caso con los sistemas de radioisótopos ya utilizados en el pasado.
Naturalemnte, para el sistema solar interior donde hay luz solar se podría usar un sistema fotovoltaico.

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Vela solar. Foto:NASA

Un sistema elegante y distinto de alcanzar grandes velocidades sería la utilización de velas solares, que no necesitan de fuente de energía interna ni de llevan consigo ningún tipo de combustible. Estos objetos son gigantescas láminas ultrafinas de plástico metalizado que son empujadas por la luz y el viento solar. El empuje es muy pequeño por unidad de área, pero el peso del sistema sería muy pequeño, y el área total muy grande consiguiéndose velocidades muy altas al cabo de un tiempo, aunque sea con aceleraciones pequeñas.
Trabajarían muy bien en el sistema solar interior, acelerándose lo suficiente como para alcanzar los confines del sistema solar con el tiempo. Uno de los inconvenientes es la dificultad de desplegar un objeto tan grande y frágil sin romperlo.
El último intento de poner una vela solar en el espacio se tornó hace unas semanas en fracaso al fallar el cohete ruso en el que iba alojada Cosmos 1, una vela solar construida por la Sociedad Planetaria.
Otra idea es la utilización de un láser para suministrar energía a un motor iónico e incluso térmico. La ventaja es que la nave no acarrearía consigo la fuente de energía ahorrándose el peso de la misma.
Un láser en órbita alimentado por energía nuclear o solar mandaría un rayo láser a la nave en cuestión y éste se transformaría en electricidad o se utilizaría para calentar un gas hasta muy altas temperaturas. Además, el laser se podría utilizar para distintas misiones. Entre los inconvenientes cabe citar el problema de apuntar el laser a grandes distancias con el inevitable lapso temporal del límite de la velocidad de la luz. Un haz a a Marte tardaría diez minutos, y necesitariamos otros diez en saber si ha hecho blaco correctamente.
Cuando las distancias fueran enormes también se podría utilizar una variación sobre la misma idea: una vela parabólica para concentrar luz solar o luz láser sobre células fotovoltaicas que alimenten el sistema.

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Alimentación por laser. Foto:NASA

Un idea similar a la vela solar es el de la utilización de una minimagnetosfera artificial. Los planetas con atmósfera y campo magnético, como pueda ser la Tierra, sufren el bombardeo de los iones del viento solar sobre las altas capas de la atmósfera. La idea es copiar este efecto.
El proyecto consiste en crear una burbuja de gas ionizado alrededor de la nave y ligarla a ella por medio de un campo magnético. El viento solar (pero no la luz) empujaría al sistema por transferencia de momento de los protones del viento solar sobre la minimagnetosfera. Como el empuje depende del área, la velocidad final conseguida sería muy alta al ser la magnetosfera gigantesca. Ya se está investigando sobre este sistema en laboratorios en tierra. Otra ventaja es que no se necesitaría un tecnología muy diferente de la que ya disponemos.
Pero si queremos ir más allá, por ejemplo al cinturón de Kuiper, o a la nube de Oort en los confines del sistema solar, en un corto periodo de tiempo tenemos que utilizar otros sistemas aun más audaces.
En el pasado se propusieron, e incluso se probaron, prototipos de sistemas térmicos de fisión nuclear, donde un gas es calentado por un reactor nuclear de fisión. También se especuló con la utilización directa de bombas atómicas de fisión como sistema de propulsión (Orión), pero parece que por el momento se han abandonado en favor de sistemas de fusión nuclear.
Lo malo es que de momento no sabemos como producir reacciones de fusión nuclear de manera controlada y sencilla, aunque tengamos desde hace tiempo bombas H.

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Minimagnetosfera. Foto:NASA

Uno de los sistema propuesto consistiría en el la microfusión inducida por antimateria o AIM (AntiMatter-Induced Microfusion).
La idea es utilizar pequeñas cantidades de antimateria, concretamente antiprotones, para crear reacciones de fusión controladas.
La antimateria esta compuesta por antipartículas, que son como las partículas ordinarias pero con todos los números cuánticos de signo puesto. Cuando una partícula y su antipartícula entran en contacto se produce una reacción violentísima que produce mucha energía y subpartículas. Se libera 100 veces más energía con esta reacción que con la fusión nuclear, de hecho bastarían 100 miligramos de antimateria para igualar la capacidad de la lanzadera espacial. Pero, crear antimateria es muy difícil y caro. Utilizando los aceleradores de partículas con los que contamos actualmente la antimateria sale a 6 millones de euros por cada mil antiprotones. Quizás haya otros medios de producirlo, pero de momento los desconocemos. No obstante se espera optimizar el proceso de obtención, y aprovechar así que ya disponemos de botellas magnéticas de almacenamiento de antiprotones.

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Sistema AIM en su configuración de propulsión (izquierda) y con la carga científica desplegada (derecha). Fotos obtenidas de Penn State University

Para el AIM se necesitarían “sólo” 100 mil millones de antiprotones para funcionar. Una pequeña fracción de uranio 238 se haría reaccionar con 100.000 antiprotones cada vez para producir la energía necesaria que cebaría la reacción de fusión de una microesfera de deuterio y helio 3 en la cámara de reacción. El ciclo se repetiría sucesivamente produciéndose un empuje pulsado.
Hay que recalcar que no se utiliza la energía de aniquilamiento para la propulsión sino que la realemnete utilizada procede de la fusión nuclear. La reacción de materia-antiomatería se utiliza sólo para inducir la fusión.
Para ir más allá, para entrar en el reino del viaje interestelar, deberemos de inventar nuevos sistemas aun más especulativos que los ya vistos. Ese será el tema de la próxima entrega.

Tipo de Propulsión Impulso Específico [sec] Razón empuje-peso
Sistema Químico 200 – 410 .1 – 10
Electromagnético 1200 – 5000 10-4 – 10-3
Fision Nuclear 500 – 3000 .01 – 10
Fusión Nuclear 104 – 105 10-5 – 10-2
Aniquilación Materia-Antimateria 103 – 106 10-3 – 1

21 Comentarios

  1. Elena:

    Quisiera saber si el combustible que lleva la nave es agua que luego es procesada para que el hidrógeno y el oxígeno sean liquidos.

  2. Administrator:

    Para “procesar” ese agua hace falta energía. En los motores cohetes convencionales los tanques ya van llenos de hidrógeno y oxígeno líquido que al combinarse producen dicha energía.
    Un hipotético sistema de fusión nuclear sólo necesitaría del hidrógeno.

  3. william rodas:

    Me gustaria saber si estos principios de propulsion ionica, se pòdrian emplear para la construccion de carros en el futuro cercano, o carros voladores.
    ¿La propulsion ionica se podria usar como un dispositivo antigravedad-venciendo la gravedad?
    Si es asi…, por que no se han hecho ya, se podrian hacer infinidad de aparatos con este principio de propulsion basado en figuras obtenidas de microorganismos como las bacterias de las cuales se podrian obter muchas para comenzar a ofrecerlos al mercado?
    ¿Es tan buena la propulsion ionica, que en el futuro se podrian diseñar aparatos que reten la gravedad?

    Doy como ejemplo:zapping 166: feria de los inventos,

    Que se puede encontrar en el buscador google.
    O sera que al final de cuentas mas vale el refran que dice: “de esto tan bueno no dan todos los dias”.

    Gracias

  4. Administrator:

    La propulsión iónica se basa en lanzar partículas cargadas (iones) a gran velocidad pero en pequeña cantidad para así conseguir un aceleración pequeña pero constante. Al cabo de mucho tiempo se pueden conseguir velocidades muy elevadas.
    Para acelerar esos iones se utilizan campos magnéticos y electricos muy fuertes que consumen grandes cantidades de electricidad.
    La posibilidad de utilizar esta propulsión en automóviles es remota porque ya es un problema diseñar un simple auto eléctrico debido al problema de almacenamiento de la electricidad, así que ni me imagino los que sería uno a propulsión iónica.
    Además está el problema de la estabilidad, pues un automovil convencional la consigue porque transmite el movimiento a las ruedas. Una propulsión a chorro en tierra funciona sólo en linea recta. Hay que añadir que desde el punto de vista energético sería ruinoso.
    En cuanto a más prestaciones como autos voladores tampoco parece factible pues se necesita una aceleración de al menos 9,8 m/s2 para contrarrestrar la gravedad.

    El objeto que menciona:
    http://axxon.com.ar/zap/166/c-ZapCHNaveAntigravitatoria.htm

    no es desde luego antigravitatoria pues sería simplemente una propulsión a chorro vertical, o en su defecto un sistema electrostático. En todo caso no se anula el campo gravitatorio, entre otras cosas porque desconocemos una física que lo haga (premio Nobel para quien lo consiga).
    Yo personalmente dudo que esa maqueta funcione o que incluso exista, a no ser que esté conectada a una fuente en tierra muy potente. Lo de portar el peso de las baterías necesarias lo veo implosible, porque tampoco tenemos helicópteros o aviones electricos por el mismo motivo. Y ni que decir tiene que desde el punto de vista energético sería también un auténtico derroche.
    Para finalizar sólo mencionar que tan importante como el conocimiento es la fuente de la que proviene la información. Esa cosa se publica junto a un “detector de ovnis”, un “resonador hiperdimensional” para conseguir proyecciones astrales instantaneas, una “máquina de los deseos” a través de que altera las ondas cerebrales y un “casco psiónico” que altera la mente de los demás . Todos ellos son simplemente falsos así que también lo debe de ser la “nave antigravitatoria”.

  5. humberto:

    Es realmente sorprendente y a la vez un gran avance. Aunque, la verdad, desconozco mucho sobre esto. Pero es sensacional, me gusta todo eso.

  6. Kenneth R.M.:

    Hola
    Desearía saber un poco más acerca de los motores con plasma para vuelos espaciales en el futuro y sobre todo acerca de direcciones web de información confiable sobre este tema.
    Gracias

  7. Administrator:

    En este documento de la NASA probablemente encuentre lo que busca.

  8. JAOSE ARMANDO:

    Me parece fascinante esta clase de trabajos, pero lo que quisiera saber es si hay problemas al transportar a los astronautas, maquinas robots o agua al espacio.

  9. Jose Piñeiro:

    Ver http://jnaudin.free.fr/html/arda3cl1.htm

    Electro-HydroDynamics propulsion.

  10. david:

    Esto es asombroso y yo estoy seguro que si todos ustedes pudieron hacer esto alguien con mucho poder puede ya tener esto y mantenerlo en secreto. Por eso es importante tener en cuenta que cualquier persona se puede meter a sabotear para beneficio propio o de algún gobierno, quizas quien sabe yo solo tengo 16 años de edad y solo quiero saber más de este asunto tan interesante. Ya que he hecho varios proyectos satisfactorios de propulsion magnética y ahora lo investigo con electricidad. Me gustaría que me contactaran.

  11. FRANCISCO:

    Es necesario estudiar la relación de empuje de un flujo de electrones acelerados en interacción con un campo magnético variable en el tiempo como un conductor dentro de una bobina. ¿Que tanta fuerza de empuje puede realizar?
    Les reto ha hacer un desarrollo matemático y me lo envían a mi correo. Gracias.

  12. Un lector:

    ¡Vaya! El listo de Francisco “reta” a los lectores a hacer ese cálculo. ¿Es la tarea que te han mandado hacer en el colegio y que no quieres trabajar? ¿Pues por qué no trabajas un poquito, te lees unos libros y no molestas a los demás?

  13. ASTRID DANIELA:

    Me parece que para el futuro todo el mundo debería ver el espacio, ir allí y ademas saber cómo van a ser los carros y medios de transportes.

  14. Angel Quintana:

    Tienen la energia para impulsar los cohetes pero no la pueden utilizar porque podria sustituir al petróleo , y hasta ahí podiamos llegar, a Dios no se le puede sustituir. Me refiero a la energía resultante del poder de los explosivos, regulada y controlada. La Nasa investigo un poco y lo apartaron rapidamente. Los explosivos son el resultado de una combinación quimica, quiero decir que a falta de un elemento vital que le convierta en explosivo, pueden ir en tanques separados , brazos hidraulicos presiónan como si se tratára de una jeringa doble como las que mezclan los epoxis, mezclando el explosivo en la tobera de impulsión . No tiene que ser una tobera gigante, pueden ser multiples toberas. ¿Habeis visto la energia que desarrolla la goma dos. Con una energia asi, las naves pueden ser más pesadas, los tubos-depositos de acero de gran fortaleza , cada uno a ambos lados de la nave. El que quiera verlo lo tiene delante.

  15. Angel Quintana:

    Estoy leyendo en wikipedia, que el C4 detona a 8050 metros por segundo. Y la velocidad de escape son 7 metros por segundo. Cuantas posibilidades.

  16. Administrator:

    Se debe de plantear si usted se subiría a un supuesto cohete impulsado por explosivos. El problema de seguridad siempre estaría ahí.
    La idea del uso de explosiones no es nueva. En el proyecto Orión se planteaba el uso de bombas nucleares, pero en este caso la ganancia energética respecto a la propulsión química es muy superior.

  17. Angel Quintana:

    Se debe de plantear si usted se subiría a un supuesto cohete impulsado por combustibles standar, tal como lo hicieron los astronautas cuando el accidente de la fuga de combustible. Quiero decir que los explosivos son un tema a investigar , si es que no se ha investigado ya, y ha pasado lo de siempre. En la explosiones hay una onda expansiva, donde tanto elementos como personas salen volando. Creo que es un tema que ofrece posibilidades, ya comenté que los elementos que crean el explosivo pueden permanecer separados hasta justo el momento de la mezcla, tal como hacen el aire y la gasolina.

  18. Angel Quintana:

    Un cañón es un artificio mecánico, que consiste básicamente, en un tubo hueco y largo que guía al proyectil al exterior, cerrado por un extremo, que se denomina recámara (diseñada para encajar con la vaina o carga impulsora y proyectil) en el momento del disparo, que contiene en su interior un proyectil junto a su carga impulsora. La carga impulsora, unida al correcto diseño del tubo y de la recámara, permite impulsar el proyectil a alta velocidad.
    El proyectil es por tanto, el objeto encargado de utilizar esa energía cinética para bombardear un determinado lugar o agrupación de soldados, o de perforar un determinado vehículo o construcción y destruirlo.
    ¿No podemos cambiar cañón por Nave Espacial? ¿No os parece un tema interesante a investigar? El cañón tiene una relación de peso mayor que el proyectil, para que no sea el cañón el que salga volando.

  19. Administrator:

    La aceleración de la “bala” dentro del cañón mataría a su ocupantes. Es algo que ya debatió desde que Julio Verne publico “De la Tierra a la Luna” hace más de un siglo. La idea simplemente no funciona.

  20. Angel Quintana:

    Evidentemente mataría a su ocupante, si la relación explosivo bala fuera la del cañón. Pero ¿ Y si la relación se pudiera manipular, con incremento o decremento en función de la necesidad? Lo tienen, lo tienen ya .

  21. juan carlos:

    unicamente pensamos en el empuje pero, no estamos preparados para patentar una tecnologia de antigraveda segura?, aun no estamos temerosos, por lo tanto la solucion esta en laminas antigravedad diferenciales

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