Cómo viajar a Marte

Viajar a Marte. El sueño de todos los pioneros desde el inicio de la era espacial. Sin embargo, aquí estamos en 2011, en pleno siglo XXI, y ningún ser humano ha puesto todavía un pie en Marte. Y lo que es peor, no se espera que nadie lo haga hasta dentro de muchas décadas. Se suele decir -medio en broma, medio en serio- que un viaje tripulado a Marte es como la fusión nuclear: siempre está a veinte años en el futuro. Sabemos por qué es tan difícil viajar al planeta rojo, ¿pero podemos hacerlo?

¿Veremos algún día un hombre en Marte? (Pat Rawlings).

Eligiendo el camino

Viajar a otro planeta no es fácil. O sí, según se mire. Antes de encender los motores de nuestra nave y poner rumbo a lo desconocido, debemos tener claro cómo llegar a ese punto de luz rojiza que se desplaza lentamente por el cielo terrestre. Y aquí es donde entramos en el proceloso mundo de la dinámica orbital. Un mundo complejo en el que necesitaremos la ayuda de matemáticas avanzadas -o máquinas que realicen los cálculos por nosotros- para llegar a nuestro destino.

Los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor del Sol, así que para viajar a Marte sólo tenemos que conocer en detalle las órbitas de la Tierra y del planeta rojo. Cada órbita viene determinada por seis parámetros orbitales (en un post anterior hablamos de ello en más detalle), pero para nuestro propósito sólo debemos tener en cuenta unos pocos conceptos básicos. Primero, hay que ser conscientes de que toda órbita planetaria viene definida por el perihelio y el afelio, es decir, el punto de la trayectoria más cercano y más lejano al Sol, respectivamente. Si hablamos de la Tierra, su órbita es casi circular, así que el perihelio prácticamente coincide con el afelio. No es el caso de Marte, puesto que su distancia al Sol varía significativamente, entre 206 y 249 millones de kilómetros.

Los parámetros orbitales (fuente).

Segundo, debemos conocer el concepto de plano orbital. Las órbitas de Marte y la Tierra están situadas casi en el mismo plano (denominado eclíptica), pero la clave aquí es ese "casi", porque el plano de Marte está inclinado 1,85º con respecto a la eclíptica. No parece mucho, pero hay que tener en cuenta que las maniobras de cambio de plano son las más costosas energéticamente hablando. Siempre que podamos, intentaremos evitar cambios de plano en nuestra misión. Además, hay que tener en cuenta la velocidad orbital. De nada sirve que lleguemos a Marte si nuestra velocidad es de 100 km/s con respecto al planeta. En este caso nos limitaremos a sobrevolarlo durante un breve instante de tiempo.

Pero lo más importante a la hora de llevar a cabo una misión a cualquier cuerpo del Sistema Solar es la noción de Delta-V. Este parámetro mide literalmente el cambio de velocidad (aceleración) que debemos llevar a cabo en una maniobra orbital (por ejemplo, ponerse en órbita alrededor de Marte) y es proporcional a la energía requerida para realizar dicha maniobra. Y, como puedes imaginar, esto es muy importante, porque de la Delta-V total de una misión dependen parámetros tan importantes como por ejemplo el tamaño inicial de nuestra nave o el tiempo de vuelo (en realidad, y siendo rigurosos, la energía de una misión espacial se mide en la práctica con una magnitud denominada energía característica o C₃, pero esto es un simple detalle). Por tanto, la regla de oro de una misión a Marte es...¡minimiza tu Delta-V!

Conociendo estos principios básicos ya estamos listos para planificar nuestra misión a Marte. Sólo necesitamos conocer el presupuesto Delta-V del que disponemos, que dependerá del momento y trayectoria elegidos para nuestra misión, la masa inicial de la nave y el sistema de propulsión empleado. Veamos primero qué trayectorias podemos escoger.

Dos misiones distintas

Lo ideal sería viajar en línea recta desde nuestro planeta hasta marte, pero la Delta-V requerida para esta excursión sería monstruosa, violando la regla de oro de los viajes interplanetarios. La trayectoria de mínima energía -y Delta-V- entre dos órbitas elípticas es una órbita de transferencia de Hohmann, propuesta en 1925 por el ingeniero y matemático alemán Walter Hohmann. Pese a tener nombre un tanto rimbombante, una órbita de Hohmann no es más que una órbita elíptica común en la que el periastro (perihelio si hablamos de planetas) está situado en la órbita de partida y el apoastro (o afelio) en la de llegada (o viceversa). No hay nada misterioso en estas órbitas. Cualquier satélite de comunicaciones que es lanzado hasta la órbita geoestacionaria utiliza una órbita de Hohmann, al igual que las naves tripuladas Soyuz cuando quieren alcanzar la estación espacial internacional (ISS). La única diferencia es que en este caso la Tierra es la que se encuentra en el centro de coordenadas del sistema, no el Sol, pero las matemáticas son las mismas.

Órbita de transferencia de Hohmann (en amarillo) (Wikipedia).

Las trayectorias Hohmann a Marte son ideales para minimizar la Delta-V, pero desgraciadamente también maximizan el tiempo de vuelo de una misión. Al fin y al cabo, nadie dijo que el ahorro de energía nos iba a salir gratis. Es por eso que las órbitas Hohmann "puras" se suelen emplear para misiones no tripuladas, pero se desaconseja su empleo en viajes tripulados. Además, una misión tripulada tiene que regresar a la Tierra más tarde o temprano, así que en realidad estamos hablando de dos trayectorias, una de ida y otra de vuelta.

El caso es que ahora podemos agrupar las posibles misiones en dos tipos según su trayectoria: misiones de oposición o de conjunción. Estos conceptos son poco intuitivos, porque decimos que Marte está en oposición cuando se encuentra más cerca de la Tierra en línea recta, mientras que estará en conjunción si está al otro lado del Sol visto desde nuestro planeta. El nombre de cada tipo de misión se debe a que Marte entra en conjunción u oposición con respecto a la Tierra a mitad de cada misión respectivamente.

Tipos de misiones marcianas:oposición y conjunción (NASA).

Las misiones de conjunción requieren trayectorias con menos energía (relativamente próximas a una órbita de Hohmann ideal) y permiten visitas a la superficie del planeta rojo de 400 o 600 días de duración hasta que la Tierra y Marte se alineen de nuevo para permitir el viaje de vuelta. La duración del viaje de ida y vuelta es aproximadamente el mismo, unos seis meses, por lo que el tiempo total de la misión es de unos mil días.

Ejemplo de una misión de tipo conjunción (NASA).

Las misiones de oposición nos permiten estancias muy cortas en Marte, normalmente inferiores a un mes, y requieren maniobras con una Delta-V mayor (en realidad se necesita una maniobra de baja Delta-V a la ida combinada con otra de alta energía a la vuelta o al revés). El tiempo total de la misión es del orden de 600 días, la mayoría de ellos en el espacio interplanetario. Para reducir el tiempo de vuelo, una variante muy popular de este tipo de misión consiste en introducir un sobrevuelo de Venus en el tramo de vuelta. A cambio, la nave debe estar diseñada para soportar las temperaturas que existen a esta distancia del Sol. Este tipo de misión es muy poco eficiente. En general, suponiendo fijos el resto de parámetros, una misión de tipo oposición requerirá unas diez veces más combustible que las de tipo conjunción.

Ejemplo de misión de tipo oposición (NASA).

La elección del tipo de misión es un asunto crucial y depende de muchos parámetros. En los años 60 y 70, la mayoría de propuestas de viajes tripulados a Marte pasaban por misiones de tipo oposición a pesar de ser poco eficientes. Por entonces la prioridad era minimizar el tiempo total de la misión, ya que se creía que la tecnología de la época hacía imposible diseñar sistemas que pudiesen funcionar durante más de dos años.

Por el contrario, hoy en día casi todos los planes de misiones tripuladas a Marte utilizan un esquema de conjunción. Por un lado, puesto que el objetivo es estudiar el planeta rojo, está claro que treinta días es un tiempo insuficiente para investigar adecuadamente todo un planeta. Además, y como veremos más adelante, los riesgos de la radiación aconsejan minimizar la permanencia en el espacio interplanetario.

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