Viajando a otros mundos: Marte

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Siguiendo esta serie de artículos centrados en el viaje fuera de la órbita baja terrestre, o LEO por sus siglas en inglés (Low Earth Orbit), hoy nos encaminamos en el apasionante viaje hacia otro planeta, el planeta rojo, Marte. Marte es el cuarto planeta de nuestro sistema solar, si contamos desde el sol, donde la Tierra sería el tercero. Si recordamos el orden, Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, que están acompañados de muchos planetas enanos, como Ceres (entre Marte y Júpiter) y otros muchos por detrás de Neptuno, entre los que destacaría Plutón, por ser el más conocido y Eris, por ser el más grande que se ha descubierto.

Marte es un gran desconocido, poco sabemos de el. Es un planeta rocoso, es decir, que como la Tierra tiene una superficie sólida donde pisar. Sabemos, también, que tiene una fina atmósfera, con una presión media de 6,36 hPa (en la Tierra, la presión a nivel del mar es de unos 1 013,25 hPa). Sabemos su tamaño, un poco mayor que la mitad que la Tierra, y sabemos donde está, que es un paso importante antes de dirigirnos hacia allí. Marte está entre la Tierra y Júpiter, aunque también es sabido que entre Marte y Júpiter tenemos un cinturón de asteroides. Pertenece a la parte interior del sistema solar pero, ¿dónde está exactamente?

Sin meternos demasiado en los parámetros orbitales, Marte está a una distancia media del sol de 1,52 UA, teniendo en cuenta que 1 UA es la distancia media entre la Tierra y el sol, en concreto 149 597 870 700 metros, o redondeando, unos 150 millones de kilómetros. Así que Marte está a 1,52 UA, de media, y ¿por qué digo “de media”? Porque, a diferencia de la Tierra, que su viaje alrededor del sol es más o menos circular, el de Marte no lo es tanto, y varía hasta un 9,33 % entre su punto más lejano y el más cercano. Esto afecta a su climatología, pero en lo que a nosotros nos corresponde, afecta a su posición, el cálculo de nuestra trayectoria será más complejo.

El viaje

Antes de plantearnos qué podemos llevar allí, deberemos saber cómo debemos hacerlo, y de la manera más eficiente posible. Para ahorrar combustible, deberemos usar una órbita de transferencia de Hohmann. Lo voy a explicar de una manera breve: la idea principal se basa en acelerar para aumentar el punto más alto de nuestra órbita, de manera que ese punto alto llegue hasta el destino, y posteriormente, cuando lleguemos allí, volver a acelerar para convertir nuestra órbita en una más circular, o para igualarla con el objeto de destino.

Hohmann_transfer_orbit-250x300La diferencia entre este caso y el de la Luna, del que ya hablé en su día, es que Marte no gira alrededor de la Tierra, por mucho que todavía haya gente que así lo crea. Marte, como la Tierra, gira alrededor del sol, y es por ello que tiene otra complicación adicional. Para hacer nuestra órbita de transferencia, por tanto, nuestro vehículo deberá estar girando alrededor del sol, para así poder apuntar a Marte, y al llegar igualar nuestras órbitas. Pero nosotros, una vez entramos en órbita, nos quedamos dando vueltas a la Tierra. ¿Cómo podemos salir de ahí y ponernos a dar vueltas al sol?

Necesitamos alcanzar la suficiente velocidad como para que la gravedad de la Tierra no sea la suficiente como para mantenernos atados, esta velocidad se llama velocidad de escape, y aunque no me gusta poner fórmulas, esta es sencilla, y cualquiera puede resolverla con una calculadora:

!v_e = \sqrt{\frac{2 G M}{R}}

Donde G es la constante de la gravitación universal (6,67384 \times 10^{-11} \frac{N m^2}{kg^2}), M es la masa del objeto que orbitamos, que en el caso de la Tierra es de 5,9726 \times 10^{24} kg y R es el radio de nuestra órbita inicial, es decir, el radio de la Tierra más la altura a la que estemos. Habitualmente la órbita que cogen las naves suele ser de unos 200 km de altura, así que R = R_t + h = 6371000 m + 200000 m = 6571000 m. Así que si sustituimos los valores en la fórmula:

!v_e = \sqrt{\frac{2 GM}{R}} = \sqrt{\frac{2 \cdot 6,67384 \times 10^{-11} \frac{N m^2}{kg^2} \cdot 5,9726 \times 10^{24} kg}{6571000 m}} = \\ = 11014,60 \frac{m}{s} = 11,0146 \frac{km}{s} = 39652,57 \frac{km}{h}

Sí, como podéis ver tenemos que alcanzar 11 km/s, 39 653 km/h para escaparnos de la Tierra. Para que os hagáis a la idea, un F1 no alcanza los 400 km/h, y los aviones comerciales no alcanzan los 1 000 km/h. Si ya es difícil alcanzar esta velocidad, imaginaros hacerlo con la precisión necesaria como para apuntar a donde Marte va a estar cuando lleguemos. Y es que ¡el viaje dura unos 8 meses! Así que tenemos que saber exactamente donde va a estar Marte dentro de 8 meses, y apuntar hacia allí mientras aceleramos a más de 39 500 km/h.

Hace poco comparaban esta dificultad con meter una canasta desde 3 000 km de distancia (suponiendo que tuvieras la fuerza para hacerlo). Digamos que eso es imposible, no hay nadie, ni los mejores ingenieros de la NASA con los mejores programas de cálculo del mundo pueden hacerlo. Así que durante el viaje toca refinar la trayectoria varias veces para acertar y llegar allí. De hecho existe un puesto especial en cada misión que se encarga de las correcciones, llamado “ingeniero de trayectorias”.

money

Como algunos sabréis, se han mandado muchas misiones a Marte, así que poco a poco han ido aprendiendo y ya podría parecer casi hasta rutinario, pero no hay nada de rutinario en este tipo de misión. Para empezar, solo se envían misiones cada dos años, en el caso en el que haya una misión disponible para ser lanzada. ¿Y esto por qué?

Bueno, la parte de la disponibilidad es obvia: Si no hay dinero para una nueva misión, no habrá misión que lanzar. Pero lo de los 2 años si que tiene una explicación científica. Resulta que un año en Marte dura 687 días, es decir, casi 2 años terrestres (1,88), pero es que lo que necesitamos no es que pase un año en Marte, sino que lo tengamos en el mismo punto respecto a la tierra, es decir, tiene que estar en el punto más cercano a la Tierra, para gastar menos combustible, y dado que la tierra se mueve, eso ocurre cada 780 días, es decir cada 2,14 años terrestres (2 años, 1 mes y unos 20 días). A esto se le llama periodo orbital sinódico, mientras que al año se le llama periodo orbital sideral.

Para que nos hagamos una idea, la próxima misión a Marte de la NASA, llamada MAVEN despegará a mediados de noviembre, y la anterior, Curiosity despegó a finales de noviembre de 2011. En este caso ha sido algo menos de 2 años por cuestiones de ventanas de lanzamiento, lugar de lanzamiento, excentricidad de la órbita de Marte etc. Nosotros estamos haciendo el cálculo suponiendo que tanto Marte como la Tierra tienen órbitas circulares y que nuestra nave ya está orbitando la Tierra a unos 200 km de altura. Vamos, que lo hemos simplificado mucho.

Hasta aquí, comprendemos como llegar hasta allí, pero debemos recordar que cuando lleguemos estaremos dando vueltas al sol, y no a Marte, lo que significa que deberemos frenar para entrar en órbita marciana, y ponernos a dar vueltas a su alrededor. Esto, que puede parecer trivial, por la escasez de combustible se puede convertir en un rompecabezas, y los ingenieros se vuelven locos con el tema. Principalmente hay dos maneras de frenar.

La primera de ellas es la simple, pero la costosa. Consiste en rotar la nave al llegar allí, de manera que apunte hacia atrás, y acelerar, para poco a poco reducir la velocidad hasta quedarse atados a Marte. Este es el proceso que se usa para hacer la inserción en órbita lunar, por ejemplo, pero en Marte se puede aprovechar a nuestro favor un detalle que he comentado antes: La atmósfera.

La atmósfera marciana, aunque es mucho menos densa que la terrestre, está ahí, y lo que podemos hacer es lo que se denomina “aerocaptura”, es decir, que frenemos contra la atmósfera marciana para que nos “capture” y nos quedemos orbitando. La pega de este método es que necesitaremos un escudo térmico para que la nave no quede destruida por las ondas de choque con el aire marciano (si, la mayor parte del calor no proviene del rozamiento sino de las ondas de choque). Esto puede suponer más peso en el lanzamiento, y por lo tanto más combustible a la hora de salir de la Tierra, pero en general, se recupera con creces al tener que usar poco o nada de combustible al llegar a Marte.

aerocapture

Una vez allí, podemos quedarnos orbitando Marte, o podemos descender a su superficie. En el primer caso, podemos visitar sus lunas, por ejemplo. Tanto para ir a Phobos como a Deimos el combustible necesario una vez hemos llegado allí es poco, y el retorno científico podría ser importante. Lo curioso sobre ir a las lunas de Marte es que se parece más a ir a la estación espacial aquí en la Tierra que ir a la Luna, ya que son tan pequeñas y tienen tan poca gravedad que acercarse a ellas es casi un acoplamiento.

Si decidimos aterrizar o amartizar (se puede decir de ambas maneras), la cosa se complica bastante. Hasta que llegamos a la Luna solo sabíamos aterrizar en la Tierra, y con un buen escudo térmico para frenar y unos paracaídas era suficiente. Luego llegó la Luna, y allí necesitamos retrocohetes, ya que no había atmósfera. Pero Marte es algo intermedio: Podemos frenar con la atmósfera, pero no lo suficiente como para poder aterrizar suavemente con un paracaídas, así que deberemos usar un método para posarnos suavemente sin destruir la nave.

Hasta ahora se han usado principalmente dos métodos, los retrocohetes y los airbags. empezamos con estos últimos, que no son más que unos globos de aire que se inflarán antes del impacto para amortiguar la caída, y la nave irá rodando y rebotando por la superficie marciana hasta que pare. Esto con sondas pequeñas (y, obviamente no tripuladas) ha dado buenos resultados, pero si lo que queremos es mandar algo grande, o incluso seres humanos, necesitamos currárnoslo un poco más y usar un sistema de retrocohetes.

Es bastante famoso el vídeo de explicación del aterrizaje del Curiosity, los 7 minutos de terror, en los que la maniobra final, tras la aerocaptura y los paracaídas supone un nuevo hito de la exploración espacial. Curiosity aterrizo colgando de una grúa que se sostenía en el aire gracias a unos retrocohetes. No se podía hacer de otra manera, a causa de su gran masa.

Una vez habiendo llegado a Marte y realizado los experimentos requeridos por nuestra misión, sobretodo si es una misión tripulada, el siguiente paso es volver a la Tierra. Dejando de lado iniciativas de colonización, algunas tan absurdas que no merecen ni mención, necesitamos salir de Marte de vuelta a la Tierra. Y aquí tenemos más problemas: lo lógico sería usar un módulo como en las misiones del Apolo a la Luna, pero la gravedad en Marte es mucho mayor, y la atmósfera marciana puede suponer un problema, así que se deberían diseñar nuevos sistemas. Además, en el caso de una misión tripulada, probablemente sería necesario un orbitador, es decir, que otra nave quedara dando vueltas a Marte esperando a los tripulantes que estarían en la superficie, como cuando se llegó a la Luna.

En cualquier caso, el retorno sería también por una órbita de transferencia de Hohmann, que llevaría la nave a la tierra por la trayectoria más eficiente posible, y debería, como en la ida hacer múltiples correcciones de la trayectoria.

Al llegar a la Tierra, como en el caso de cuando se fue a la Luna, se reentraría a la atmósfera a una velocidad bestial, probablemente superior a los 11 km/s, y necesitaríamos un escudo térmico muy potente para frenar y poder sacar los paracaídas y llegar a nuestro lugar de amerizaje/aterrizaje.

¿Qué podemos llevar a Marte?

Ahora que sabemos cómo llegar e incluso cómo volver de Marte, debemos decidir qué llevar (suponiendo que el presupuesto nos lo permita). Aquí voy a diferenciar 2 casos bastante generales, entre los que se notará la diferencia en el presupuesto, y mucho: misiones tripuladas y no tripuladas. Comencemos por la segunda.

Entrada Curiosity en Marte

Aunque pudiéramos pensar que una misión no tripulada no tiene ningún requisito especial, más allá de elegir el lanzador correcto, lo cierto es que hay varias cosas que tenemos que tener en cuenta. Lo primero es proteger la nave, pero ¿protegerla de qué? Pues lo cierto es que hay principalmente una amenaza en el viaje de la Tierra a Marte.

Dejando de lado los asteroides, ya que la probabilidad de impacto es despreciable, tenemos el problema de la radiación, que no solo será alta durante el viaje, sino que no se reducirá mucho al llegar a la superficie marciana. Los enemigos son principalmente la radiación solar y los rayos cósmicos. En el caso de la radiación solar, Curiosity midió radiaciones bastante altas, y para evitar problemas, se debe llevar hardware (componentes electrónicos físicos, como los procesadores) específico para entornos de alta radiación. En el caso de los rayos cósmicos, poco podemos hacer, la energía que tienen es tal que son imparables, y pueden causar daños en el equipo. Es una de las razones por la que las naves suelen llevar sistemas redundantes.

Una vez protegida la nave, el siguiente paso es proteger el destino. ¿Marte? sí, debemos protegerlo de una invasión de microbios terrestres. Imaginaros que vamos a Marte a buscar vida y nos encontramos con que hay vida, pero que es la que hemos llevado nosotros. El retorno científico sería mucho menor. Por ello los protocolos de protección planetaria ponen altos requisitos para evitar la contaminación. Las medidas dependerán de si la nave llegará a la superficie del planeta, va buscando vida y otras variables. Pensemos ahora en llevar seres humanos allí. En este caso, a parte de todo lo mencionado anteriormente para la nave, tenemos que ocuparnos de los astronautas que viajarían en la misión. Comenzaremos con los cuidados básicos que necesita una persona. A diferencia de un trozo de metal, una persona, respira, come, bebe, y genera desechos. Es decir, que el viaje no va a ser tan fácil.

Dado que respiramos, necesitamos una atmósfera con una composición concreta para sobrevivir, así que la nave deberá estar presurizada. Y no solo eso, deberemos tener un sistema que purifique el aire, y extraiga el CO_2, para introducir O_2 (oxígeno) y que los astronautas respiren. Algo que puede sonar simple, pero que en una nave rodeada de vacío no es para nada trivial. A día de hoy existen sistemas como los de la ISS, que se podrían adaptar para un viaje largo, pero suponen un espacio adicional, y más peso para la nave, así que necesitaremos lanzadores más potentes y probablemente varios lanzamientos.

Necesitaremos también comida y bebida, que deberemos conservar más de un año. En bebida podemos ahorrar algo de espacio reciclando parte de la orina de los viajeros, pero aun así necesitaremos mucho agua. Más peso para la misión, lo que significa más dinero. A día de hoy no habría problema en conservar la comida ese tiempo, pero el problema de almacenarla en el menor espacio posible sigue existiendo.

recyclerEn cuanto a los desechos, deberemos de encargarnos tanto de los biológicos como de la basura generada por el uso de la nave. La orina podría ser parcialmente reciclada, y el resto empaquetada y dejada atrás, aunque hay que tener cuidado para que no caiga en Marte, ya que podría contaminar el planeta con bacterias terrestres.

Pero aquí el mayor problema es otro. Aunque consiguiéramos el presupuesto necesario para hacer el viaje, en el espacio interplanetario hay un problema añadido: la radiación. Es algo que aquí no tenemos muy en cuenta, ya que la atmósfera y el campo magnético de la Tierra nos protegen, pero fuera de aquí, no hay nada que nos proteja contra la radiación solar, o la radiación de fuera del sistema solar, como los rayos cósmicos. De hecho, los astronautas llevan años reportando ver fogonazos por esta causa, que muchas veces acaba en cataratas años más tarde.

Para proteger a los astronautas de la radiación poco podemos hacer. Podemos protegerles de la más débil, poniendo paredes de agua en la nave, como ocurre en la ISS, y de los rayos cósmicos, quizá, con grandes campos magnéticos, muy costosos y muy pesados. Pero nada podemos hacer contra los rayos gamma, y ese es el escollo principal que debemos superar para poder ver astronautas en Marte, ya que la dosis de radiación que recibiría un astronauta en un viaje a Marte está fuera de los límites que ponen las agencias espaciales, por lo que vamos a tener que esperar.

———————— Este artículo nos lo envía Iban Eguia, desde Galdakao, Bizkaia, un estudiante de tercero de ingeniería informática en Deusto y apasionado del espacio. Iban es creador de El Blog de Razican y podéis encontrarlo en twitter en la cuenta @Razican.


11 Comentarios

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La velocidad de escape podría ser incluso de 1km/hora mientras el empuje se mantenga constante.
Los 39.000 km/hora es suponiendo un empuje inicial que no vuelve a actuar nunca más.
¿estoy en lo cierto?

Iban Eguia

El cálculo está hecho suponiendo que no existe fuerza externa, y respecto a un observador situado en la superficie terrestre. La velocidad de escape tangencial puede ser mucho menor, si, pero la total tiene que estar aproximadamente por ese orden.

XareuXareu

Efectivamente sería la velocidad para que no hubiese propulsión de ese punto en adelante y el cuerpo no volviera a caer en la tierra. Si hubiese propulsión continua este concepto no es de aplicación.

Iñaki

Una puntualización: no es necesario alcanzar la velocidad de escape para mandar una nave a Marte; ni siquiera es necesaria la mitad de la mitad. No olvidemos que dicha velocidad es la velocidad inicial necesaria para escapar de la gravedad terrestre si no hay ninguna otra aceleración presente. Afortunadamente, los cohetes proporcionan una gran aceleración durante un buen rato. 😉

Iban Eguia

Me refiero a la velocidad que hay que alcanzar respecto a la superficie terrestre, desde el lanzamiento hasta el apagado del cohete, se debe alcanzar la velocidad de escape. De hecho, ya solo para entrar en órbita se necesitan 7,8 km/s

Iñaki

Iban, repito: esa fórmula aplica para un proyectil lanzado desde la superficie de la Tierra, sin propulsión propia.

El radio terrestre está dividiendo. Por tanto, una vez que se apague el último de los propulsores, estaremos en condiciones de aplicar esa ecuación. Pero date cuenta que ya estamos muy lejos, por lo que el radio es mucho mayor y la velocidad de escape, desde esta nueva posición, es inferior al cálculo que haces.

Así que se debe alcanzar la velocidad de escape, efectivamente, pero la correspondiente al punto en el que ya no hay propulsores, no la de la superficie terrestre.

Y lo mismo sucede para poner un satélite en órbita.

Iban Eguia

Cierto, no había entendido a lo que te referías. La velocidad de escape que hay que alcanzar es la velocidad de escape a la distancia a la que se apagan los propulsores. Esta simplificación es solo aplicable a un solo impulso puntual en LEO.

Carlos TCarlos T

El sistema que has propuesto parte de la premisa de usar los actuales cohetes químicos de toda la vida. Está claro que aunque útiles para salir de nuestro planeta y desde Marte, se vuelven muy ineficientes para un viaje interplanetario.
Lo mejor pasaría por usar motores electricos, como p. ej. VASIMR, que prometen (otra cosa es que se pueda cumplir) reducir hasta solo 39 días el viaje a Marte. Si solo fuera la mitad de bueno, es decir, que se tardarn 80 días en llegar, también estaria bien.

MIGUELMIGUEL

¿Seguro que los aviones comerciales no alcanzan los 1000 km/h? Yo diría que en vuelos largos (como los transoceánicos) en los que vuelan sobre los 10.000 m, la velocidad de crucero anda sobre los 900-1000 km/h; la velocidad de crucero. Si no van más rápido es porque supondría un gasto de combustible mayor, pero puestos a alcanzar yo diría que sí pueden.

Un saludo.

TaliesinTaliesin

¿Se podrían agregar enlaces de los otros artículos de la serie?

Gracias!

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