Masa de una misión a Marte desde la órbita baja terrestre empleando propulsión química (NASA).
Como podemos ver, una misión a Marte desde la órbita baja terrestre (LEO) requiere nada más y nada menos que el ensamblaje de una nave de unas 4500 toneladas. O lo que es lo mismo, el equivalente a doce estaciones del tamaño de la ISS o 37 lanzamientos del cohete gigante Saturno V. ¿Cómo es esto posible? La explicación a este misterio la tenemos que encontrar en la despiadada Ecuación de Tsiolkovski, también conocida como la Ecuación del Cohete. Según las rígidas leyes de la física, un ligero aumento en la carga útil de una nave espacial requiere un aumento enorme en la masa inicial. ¿Por qué? Pues porque para lanzar esa carga extra es necesario transportar más combustible, lo que a su vez aumenta la masa inicial del vehículo haciendo necesario usar aún más combustible al lanzamiento.
Esto está muy bien, pero, ¿por qué una nave marciana debe ser tan grande? La razón es que a la Ecuación del Cohete debemos añadir otro factor que complica el poder viajar a otros planetas: la profundidad del pozo gravitatorio de la Tierra. Abandonar la gravedad terrestre es realmente difícil. Aunque parezca contraintuitivo, una nave situada en órbita baja a unos pocos cientos de kilómetros de altura ya ha recorrido el 73% del camino a otros planetas en términos energéticos. Efectivamente, para poner un objeto en órbita terrestre debemos acelerar hasta los 8 km/s, pero para abandonar la Tierra sólo necesitamos alcanzar los 11 km/s. El problema es que esa misma nave debe frenar para entrar en órbita marciana y luego debe aterrizar en la superficie del planeta rojo. Y, por supuesto, posteriormente tenemos que volver a la Tierra, para lo cual debemos llevar el combustible necesario para todas estas maniobras. Si recordamos el principio de la Ecuación del Cohete, entenderemos ahora por qué necesitamos una nave de 4000 toneladas para alcanzar el planeta rojo.
Por estos motivos, la dificultad en alcanzar un cuerpo del Sistema Solar no depende de la distancia, sino de la energía necesaria para realizar las maniobras orbitales. Por eso medimos el coste de una misión en términos de los cambios de velocidad necesarios para llegar al objetivo. En lenguaje astronáutico, esta diferencia de velocidades se denomina Delta-V y es la magnitud que rige la navegación por el Sistema Solar. Mientras que los marinos de antaño disponían de cartas en las que se señalaban las mejores rutas para esquivar las zonas sin viento y los arrecifes peligrosos, los planificadores de misiones espaciales cuentan en la actualidad con mapas de Delta-V.
Por ejemplo, para situarnos en órbita marciana desde LEO necesitamos una Delta-V de unos 6 km/s. O lo que es lo mismo, ¡viajar a la órbita de Marte requiere menos energía que un lanzamiento a la órbita terrestre! Poco importa que en el primer caso debamos recorrer varios millones de kilómetros mientras que en el segundo apenas tenemos que alejarnos unos pocos cientos. Pero si lo que queremos es posarnos en la superficie, la cosa cambia. Aunque el pozo gravitatorio de Marte es mucho menos profundo que el terrestre, la Delta-V total en este caso se dispara hasta alcanzar los 10,2 km/s. De ahí que la órbita marciana sea un destino muy atractivo en algunos planes de exploración del Sistema Solar, aunque se podría discutir sobre el interés que tiene mandar una nave tripulada hasta Marte y volver sin tocar la superficie.
Mapa del Delta-V necesario para viajar a algunos lugares del Sistema Solar (Wikipedia).
Una visión más gráfica de los pozos gravitatorios del Sistema Solar (xkcd.com)
Obviamente, una vez fijado el destino no podemos modificar la Delta-V, pero, ¿es posible reducir la enorme masa inicial de una nave marciana? Por supuesto, usando la ecuación del cohete a nuestro favor. Es decir, si logramos un ligero descenso en la masa final de la nave, la masa inicial disminuirá mucho más. Lo primero que podemos hacer es dividir nuestra gran nave marciana en varios vehículos, (por este motivo los cohetes tiene varias etapas), aunque a cambio aumentará la complejidad de la misión.
Otra estrategia es emplear sistemas de propulsión más eficientes. La mayor parte de misiones interplanetarias contemplan el uso de combustibles hipergólicos, fácilmente almacenables pero poco eficientes. Si usamos combustibles criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos) podríamos reducir la masa de una nave marciana de forma significativa, aunque tendremos que desarrollar tecnologías que permitan almacenar estos combustibles sin que se evaporen. En caso de decantarnos por otros sistemas de propulsión más avanzados ( nuclear, iónica, VASIMR, velas solares, etc.), el tamaño de la nave se puede reducir todavía más. La eficiencia de un sistema de propulsión se mide de acuerdo con el impulso específico (Isp).
Simplemente usando un sistema de propulsión avanzado (o criogénica) podemos reducir la masa de nuestra nave marciana a la mitad (NASA).
Propuesta de nave marciana de la empresa rusa RKK Energía que hace uso de propulsión iónica solar (RKK Energia).
Eficiencia (impulso específico) de distintos sistemas de propulsión en función de su empuje. A mayor impulso específico, menor será la masa de la nave interplanetaria (NASA).
Nave marciana de la NASA que emplea propulsión nuclear térmica (NASA).
Un atajo adicional es utilizar los recursos del planeta rojo con el fin de fabricar el combustible necesario para regresar a la Tierra. Por ejemplo, se puede crear metano -un magnífico combustible- a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana. Y si usamos sistemas más complejos es posible descomponer el hielo del subsuelo marciano en hidrógeno y oxígeno para procurarnos nuestra propia fuente de combustibles criogénicos. Estas técnicas para aprovechar los recursos locales se denominan ISRU (In-Situ Resource Utilization) y son claves a la hora de diseñar una misión al planeta rojo.
Propuesta de nave tripulada de la NASA que utiliza un reactor nuclear para generar metano a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana (NASA).
Por último, otra medida de adelgazamiento para nuestra nave consiste en utilizar las atmósferas planetarias a nuestro favor. Si alcanzamos la órbita marciana frenando la nave mediante el rozamiento con la atmósfera del planeta rojo podremos ahorrarnos una enorme cantidad de combustible. Esta técnica se conoce con el nombre de aerocaptura y resulta un desafío tecnológico de primer orden. De hecho, hasta la fecha ninguna misión ha llevado a cabo esta maniobra (aunque sí se ha usado el aerofrenado en varias sondas para disminuir la altura orbital). Además requiere el empleo de grandes escudos térmicos -que también tienen una masa elevada-, pero en cualquier caso compensa sobremanera incluirla en una misión tripulada.
Una sonda francesa realiza aerocaptura para insertarse en órbita marciana (Beyond Apollo).
Si aplicamos a rajatabla todas estas medidas podemos reducir la masa de nuestra nave (o naves) marciana por debajo de las mil toneladas. La última propuesta de la NASA, denominada Mars Design Reference Architecture 5.0 (DRA 5.0), contempla una serie de naves marcianas con una masa total de "sólo" 850 toneladas. Para lograr este objetivo, DRA 5.0 hace uso de propulsión nuclear térmica, ISRU y aerocaptura.
Pese a todo, estamos hablando del equivalente a dos estaciones espaciales como la ISS, o lo que es lo mismo, unos siete lanzamientos de un cohete gigante como el malogrado Ares V. Teniendo en cuenta que el lanzador más potente en servicio que existe en la actualidad sólo es capaz de situar 25 toneladas en órbita baja, resulta obvio que Marte nos queda aún muy lejos. Pero si queremos viajar a otros planetas durante este siglo, más nos vale encontrar una solución a este dilema.
Reducción en la masa inicial de una nave marciana mediante el empleo de distintas tecnologías (NASA).
Esquema de la misión marciana DRA 5.0 (NASA).
Una nave con propulsión nuclear térmica se aproxima a Marte (NASA).
Notas:
1- Obviamente, la Delta-V es una magnitud que simplemente mide los cambios de velocidad y no tiene dimensiones de energía. Por eso se suele usar el cuadrado de la Delta-V como magnitud para medir el coste energético de las maniobras espaciales, ya que tiene unidades de energía por unidad de masa.
2- Cuando hablamos de "combustible" en realidad deberíamos usar el término propergol. Un cohete biporpelente requiere el uso de combustibles (queroseno, metano, hidrógeno, hidrazina, etc.) y un oxidantes (oxígeno, ácido nítrico, etc.). También existen sistemas de propulsión monopropelentes.
Fuente:
Blog Eureka