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sábado, 16 de noviembre de 2013

Cómo viajarán al espacio nuestros nietos: ascensores y catapultas


  El problema con los cohetes


   En la realidad y en la ficción, estamos acostumbrados a que los satélites, instrumentos científicos y astronautas lleguen al espacio se realice a través de cohetes, sistemas que se impulsan a sí mismos gracias al combustible que también transportan. Tanto el transbordador espacial como los nuevos sistemas pensados para el turismo de órbita baja utilizan el mismo principio.


  Estos sistemas son inherentemente ineficientes (y por tanto costosos), ya que junto con su carga útil tienen que levantar el enorme peso del combustible y toda la estructura física necesaria.


  Gracias al uso de cohetes de varias fases (desde el Saturno V del programa Apolo a los modernos cohetes Arianne) o de sistemas iniciales de lanzamiento que luego se desprenden (como en el transbordador o el sistema Spaceship-WhiteKnight de Virgin Galactic) es posible aumentar un poco la eficiencia, pero como demuestra la siguiente tabla, el coste aún es enorme.


  Vemos que para llevar una carga a una órbita baja, como la del transbordador espacial o la estación espacial internacional, se requiere un cohete que pesa (con el combustible) de 25 a 80 veces más que la carga. Y para transportar hasta la órbita geoestacionaria y desde allí escapar a la gravedad terrestre se requiere al menos un sistema cohete que pesa entre 65 y más de 100 veces la carga útil.

  Para un tratamiento matemático, podéis consultar aquí y aquí.

  Cuando se desea llevar una tripulación humana la situación es aún peor, puesto que junto con los astronautas hay que llevar todos los sistemas vitales de soporte que deben acompañarles.

  ¿No hay una forma más eficiente de llevar objetos al espacio?


  Un ascensor de muchos pisos


  Fue el pionero de la cosmonáutica, Konstantin Tsiolkovsky, quien presentó por primera vez la idea de un ascensor espacial, aparentemente inspirado por la Torre Eiffel y los ascensores que servían para ascender a ella.

  El principio es muy sencillo. Si tuviéramos una estructura que conecta la superficie de la Tierra con el exterior de la atmósfera, podríamos ascender por ella sin requerir una gran velocidad, librándonos así de paso del ineficiente rozamiento con la atmósfera. Además, no sería necesario que la carga incluya ningún combustible, pues el propio ascensor puede encargarse de propulsarla mediante mecanismos magnéticos o enfocando sobre ella potentes haces de luz láser.





  Un sistema de este tipo sería mucho más eficiente en coste por unidad de carga, pero obviamente la inversión necesaria para construirlo sería enorme. Para que el ascensor espacial se sostuviera se aprovecharía la 'fuerza centrífuga' generada por la rotación de la Tierra, colocando un contrapeso más allá de la órbita geoestacionaria (a unos 36.000 kms). De esta forma el ascensor permanecería más o menos estático sobre su punto de anclaje en el ecuador. 


  




Las estructuras básicas del ascensor serían:

  • El anclaje en la superficie. En la mayoría de los casos se imagina como una estructura fija sobre la superficie de la Tierra.


  Una estructura de anclaje rígida tendría que soportar enormes tensiones. Por ello se ha propuesto también la opción de una base flotante sobre el mar:


  En la segunda parte de la Trilogía de las Esferas describiré una tercera alternativa para el anclaje, que no voy a revelar por ahora  :-)

  •    Estaciones de transferencia. A diferentes alturas del ascensor (en diferentes órbitas) pueden situarse las estaciones en las que la carga se extraería o insertaría en el elevador desde otro medio de transporte espacial. Curiosamente, en muchas ilustraciones de ascensores aparecen estaciones terminales en una órbita muy baja, pero como hemos visto el ascensor debe necesariamente prolongarse a una distancia muchísimo mayor de la superficie.





  • El cable. Un elemento crítico del ascensor es el cable que debe formar la parte lineal del elevador, y que debe combinar una enorme resistencia con un peso muy ligero. Mientras que un cable de metal convencional se rompería al llegar a 20 o 30 kms, y los materiales de fibras modernos (kevlar, fibra de carbono) aguantarían sólo unos pocos de cientos de kms, se espera que los nanotubos de carbono permitan cables que aguanten miles de kilómetros y sirvan como base para un ascensor.



 Parece que una empresa japonesa tiene un proyecto bastante serio para construir un ascensor basado en nanotubos de carbono, que estaría listo en el 2050:



 Sobre los métodos de construcción propuestos, podéis consultar este artículo de Wikipedia.


  La aparición más conocida de un ascensor espacial en la ficción científica viene de la mano de Arthur C. Clarke, maestro de la elucubración sobre la tecnología espacial (no en vano, elaboró en 1945 la idea de satélites artificiales para telecomunicación cuando era oficial de la RAF). En su novela "Fuentes del Paraíso", Clarke describe la construcción de un ascensor en la isla de Ceilán (donde Clarke vivía), que culmina con la primera visita extraterrestre. Aquí Clarke se concedió la licencia de trasladar la línea del ecuador terrestre para que coincidiera con la montaña sagrada que había elegido como localización  :-)





  Aceleradores magnéticos


  Existe otra solución eficiente para el transporte de cargas al espacio: las catapultas o aceleradores magnéticos. La idea es muy sencilla: empujar por una rampa la carga para dotarla de la suficiente velocidad para que pueda llegar a la órbita requerida o incluso salir del planeta, luna o asteroide.

  La impulsión magnética es ideal para este sistema, pues permite a la carga flotar y acelerar sin rozamiento, como los trenes de levitación magnética.



  Sin embargo, hay dos factores que dificultan en general este tipo de sistemas:
  • La alta velocidad necesaria. Para el caso de la Tierra, la velocidad de salida debería ser de 11 kms/s (unos 40.000 kms por hora!). Para conseguir esta velocidad se requeriría una rampa de aceleración enorme y además estaría el segundo problema...
  • La resistencia atmosférica. Sabemos que los meteoritos y naves espaciales que entran en la atmósfera terrestre a gran velocidad producen temperaturas altísimas que pueden llegar a desintegrarlos. Lo mismo sucedería si lanzásemos una carga desde la superficie a la velocidad de escape. La fricción con la atmósfera la quemaría y además la frenaría considerablemente.

   Por estas razones, desde la Tierra o un planeta similar los aceleradores o catapultas solamente son prácticos como primera fase de ayuda a un lanzamiento convencional. No en vano se utilizan para ayudar al despegue de los aviones en pistas cortas, como las de los portaaviones:


   Para conseguir enviar una carga al espacio de forma eficiente con un acelerador tendrían que darse dos condiciones:
  • Lanzamiento desde un cuerpo pequeño (un satélite, planetoide o asteroide). 
  • Ausencia de atmósfera

Por ejemplo, en la Luna la velocidad de escape es de 2,3 km/s (unos 8500 kms/h). Al no haber atmósfera, no existe rozamiento durante la aceleración y el vuelo posterior, por lo que sería práctico usar una catapulta para enviar cargas a una órbita donde pudieran ser recogidas y llevadas a la Tierra u otro lugar. Igualmente, la minería de asteroides podría utilizar este sistema para enviar los minerales recolectados.



  Por esta razón se han ido desarrollando diferentes conceptos y prototipos para su posible uso futuro.




   La idea de una catapulta magnética en la Luna es parte central del argumento de la novela del maestro Heinlein, "La Luna es una Cruel Amante". En la historia, los colonos 'lunáticos' utilizan los aceleradores para lanzar las cargas comerciales sobre la Tierra en su rebelión contra el planeta madre. También les ayuda el hecho de disponer de un ordenador inteligente llamado Mycroft Holmes  :-)





   Y con esto os dejo hasta la próxima.

      Salvador