vuelos espaciales interplanetarios

Durante muchos años, los viajes interplanetarios económicos se basaron en la órbita de transferencia de Hohmann . Hohmann demostró que la ruta de menor energía entre dos órbitas cualesquiera es una órbita elíptica tangente a las órbitas de origen y destino. Una vez que la nave llega, una segunda aplicación de empuje recirculaliza la órbita en la nueva ubicación. En el caso de las transferencias planetarias, esto significa dirigir la nave, originalmente en una órbita casi idéntica a la de la Tierra, de manera que el afelio de la órbita de transferencia se encuentre en el lado opuesto del Sol, cerca de la órbita del otro planeta. Una nave que viaje de la Tierra a Marte mediante este método llegará cerca de la órbita de Marte en aproximadamente 8,5 meses, pero debido a que la velocidad orbital es mayor cuanto más cerca del centro de masa (es decir, el Sol) y menor cuanto más lejos del centro, la nave viajará bastante despacio y una pequeña aplicación de empuje será suficiente para colocarla en una órbita circular alrededor de Marte. Si la maniobra se realiza en el momento adecuado, Marte estará justo debajo de la nave cuando esto ocurra.

La transferencia de Hohmann se aplica a cualquier par de órbitas, no solo a aquellas que involucran planetas. Por ejemplo, es la forma más común de transferir satélites a la órbita geoestacionaria , después de haber sido colocados en órbita terrestre baja . Sin embargo, la transferencia de Hohmann requiere un tiempo similar a la mitad del período orbital de la órbita exterior, por lo que, en el caso de los planetas exteriores, esto supone muchos años, demasiado tiempo para esperar. Además, se basa en la suposición de que los puntos en ambos extremos carecen de masa, como ocurre, por ejemplo, al transferir un satélite entre dos órbitas alrededor de la Tierra. Con un planeta en el extremo de destino de la transferencia, los cálculos se vuelven considerablemente más difíciles.

La técnica de asistencia gravitatoria utiliza la gravedad de planetas y lunas para modificar la velocidad y la dirección de una nave espacial sin necesidad de combustible. En un ejemplo típico, una nave se envía a un planeta distante siguiendo una trayectoria mucho más rápida que la que requeriría la transferencia de Hohmann. Esto implicaría, por lo general, que llegaría a la órbita del planeta y continuaría su trayectoria más allá de ella. Sin embargo, si hay un planeta entre el punto de partida y el destino, este puede utilizarse para desviar la trayectoria hacia el objetivo, reduciendo considerablemente el tiempo total de viaje en muchos casos. Un ejemplo destacado de esto son las dos naves del programa Voyager , que utilizaron el efecto de asistencia gravitatoria para modificar sus trayectorias varias veces en el sistema solar exterior. Es difícil utilizar este método para viajes en la parte interior del sistema solar, aunque es posible utilizar otros planetas cercanos, como Venus o incluso la Luna , como asistencias gravitatorias en viajes a los planetas exteriores.

Esta maniobra solo puede cambiar la velocidad de un objeto con respecto a un tercer objeto independiente, posiblemente el centro de masa o el Sol. No hay cambios en las velocidades de los dos objetos involucrados en la maniobra entre sí. El Sol no puede usarse en una maniobra de asistencia gravitatoria porque está inmóvil en comparación con el resto del Sistema Solar, que orbita a su alrededor. Sin embargo, puede usarse para enviar una nave espacial o una sonda a la galaxia, ya que el Sol gira alrededor del centro de la Vía Láctea .

El lanzamiento mediante honda propulsada consiste en el uso de un motor de cohete en el punto de máxima aproximación a un cuerpo celeste ( periapsis ). Su uso en este punto multiplica el efecto del delta-v, generando un efecto mayor que en otros momentos.

Las computadoras no existían cuando se propusieron por primera vez las órbitas de transferencia de Hohmann (1925) y eran lentas, costosas y poco fiables cuando se desarrollaron las catapultas gravitacionales (1959). Los avances recientes en computación han hecho posible explotar muchas más características de los campos gravitatorios de los cuerpos astronómicos y, por lo tanto, calcular trayectorias de menor costo . ^{[ 15 ] [ 16 ]} Se han calculado trayectorias que conectan los puntos de Lagrange de los diversos planetas en la llamada Red de Transporte Interplanetario . Estas "órbitas difusas" usan significativamente menos energía que las transferencias de Hohmann pero son mucho, mucho más lentas. No son prácticas para misiones tripuladas humanas porque generalmente toman años o décadas, pero pueden ser útiles para el transporte de alto volumen de mercancías de bajo valor si la humanidad desarrolla una economía basada en el espacio .

El frenado atmosférico utiliza la atmósfera del planeta de destino para reducir la velocidad. Se empleó por primera vez en el programa Apolo, donde la nave espacial que regresaba no entró en órbita terrestre, sino que siguió un perfil de descenso vertical en forma de S (comenzando con un descenso pronunciado, seguido de una estabilización, un ligero ascenso y, finalmente, un descenso continuo hasta amerizar en el océano) a través de la atmósfera terrestre para reducir su velocidad hasta que se pudiera desplegar el sistema de paracaídas, lo que permitió un aterrizaje seguro. El frenado atmosférico no requiere una atmósfera densa; por ejemplo, la mayoría de los módulos de aterrizaje en Marte utilizan esta técnica, y la atmósfera de Marte tiene solo alrededor del 1 % de la densidad de la atmósfera terrestre.

El frenado aerodinámico convierte la energía cinética de la nave espacial en calor, por lo que requiere un escudo térmico para evitar que se queme. En consecuencia, el frenado aerodinámico solo es útil cuando el combustible necesario para transportar el escudo térmico al planeta es menor que el que se requeriría para frenar una nave sin escudo mediante el encendido de sus motores. Esto se puede solucionar creando escudos térmicos con materiales disponibles cerca del objetivo. ^{[ 17 ]}

Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación de Tsiolkovsky , que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masas, desde la masa inicial ( _M₀ , incluyendo el combustible) hasta la masa final ( M₁ _, sin combustible). La principal consecuencia es que las velocidades de misión superiores a unas pocas veces la velocidad de escape del motor del cohete (con respecto al vehículo) se vuelven rápidamente impracticables, ya que la masa en seco (masa de la carga útil y del cohete sin combustible) cae por debajo del 10 % de la masa total del cohete (masa del cohete con combustible).

Cohetes térmicos nucleares y solares

En un cohete termonuclear o termosolar , un fluido de trabajo, generalmente hidrógeno , se calienta a alta temperatura y luego se expande a través de una tobera para generar empuje . Esta energía reemplaza la energía química de los reactivos en un motor de cohete tradicional . Debido a la baja masa molecular y, por lo tanto, a la alta velocidad térmica del hidrógeno, estos motores son al menos dos veces más eficientes en el consumo de combustible que los motores químicos, incluso considerando el peso del reactor.

La Comisión de Energía Atómica de EE. UU. y la NASA probaron algunos diseños entre 1959 y 1968. Los diseños de la NASA se concibieron como reemplazos para las etapas superiores del vehículo de lanzamiento Saturno V , pero las pruebas revelaron problemas de fiabilidad, causados ​​principalmente por la vibración y el calentamiento que implica el funcionamiento de los motores a niveles de empuje tan altos. Consideraciones políticas y ambientales hacen improbable que un motor de este tipo se utilice en un futuro previsible, ya que los cohetes termonucleares serían más útiles en la superficie terrestre o cerca de ella, y las consecuencias de un mal funcionamiento podrían ser desastrosas. Los conceptos de cohetes térmicos basados ​​en fisión producen velocidades de escape más bajas que los conceptos eléctricos y de plasma descritos a continuación, y por lo tanto son soluciones menos atractivas. Para aplicaciones que requieren una alta relación empuje-peso, como el escape planetario, la tecnología termonuclear es potencialmente más atractiva. ^{[ 19 ]}

propulsión eléctrica

Los sistemas de propulsión eléctrica utilizan una fuente externa, como un reactor nuclear o células solares , para generar electricidad , que luego se emplea para acelerar un propulsor químicamente inerte a velocidades mucho mayores que las alcanzadas en un cohete químico. Estos sistemas producen un empuje débil y, por lo tanto, no son adecuados para maniobras rápidas ni para lanzamientos desde la superficie de un planeta. Sin embargo, son tan eficientes en el uso de masa activa que pueden funcionar de forma continua durante días o semanas, mientras que los cohetes químicos consumen masa de reacción tan rápidamente que solo pueden funcionar durante segundos o minutos. Incluso un viaje a la Luna es lo suficientemente largo como para que un sistema de propulsión eléctrica supere en velocidad a un cohete químico: las misiones Apolo duraron 3 días en cada dirección.

La misión Deep Space One de la NASA fue una prueba muy exitosa de un prototipo de propulsión iónica , que funcionó durante un total de 678 días y permitió a la sonda alcanzar el cometa Borrelly, una hazaña que habría sido imposible para un cohete químico. Dawn , la primera misión operativa de la NASA (es decir, no una demostración tecnológica) en utilizar una propulsión iónica como su principal medio de propulsión, orbitó con éxito los grandes asteroides del cinturón principal 1 Ceres y 4 Vesta . Una versión más ambiciosa, de propulsión nuclear, estaba destinada a una misión a Júpiter sin tripulación humana, el Orbitador de Lunas Heladas de Júpiter (JIMO), cuyo lanzamiento estaba previsto para algún momento de la próxima década. Debido a un cambio en las prioridades de la NASA que favoreció las misiones espaciales tripuladas, el proyecto perdió financiación en 2005. Actualmente se está debatiendo una misión similar como componente estadounidense de un programa conjunto de la NASA y la ESA para la exploración de Europa y Ganímedes .

Un equipo multicéntrico de evaluación de aplicaciones tecnológicas de la NASA, liderado desde el Centro de Vuelos Espaciales Johnson , describió en enero de 2011 "Nautilus-X", un estudio conceptual para un vehículo de exploración espacial multimisión útil para misiones más allá de la órbita terrestre baja (LEO), de hasta 24 meses de duración para una tripulación de hasta seis personas. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Aunque Nautilus-X es adaptable a una variedad de unidades de propulsión específicas para misiones de varios diseños de bajo empuje y alto impulso específico (I _sp ), se muestra un motor iónico-eléctrico nuclear con fines ilustrativos. Está destinado a la integración y verificación en la Estación Espacial Internacional (ISS), y sería adecuado para misiones de espacio profundo desde la ISS hacia y más allá de la Luna, incluyendo destinos orbitales Tierra/Luna L1 , Sol/Tierra L2 , asteroides cercanos a la Tierra y Marte. Incorpora una centrífuga de gravedad reducida que proporciona gravedad artificial para la salud de la tripulación, con el fin de mitigar los efectos de la exposición prolongada a gravedad cero y la capacidad de atenuar el entorno de radiación espacial. ^{[ 22 ]}

Las velas solares se basan en el hecho de que la luz reflejada por una superficie ejerce presión sobre ella. La presión de radiación es pequeña y disminuye con el cuadrado de la distancia al Sol, pero a diferencia de los cohetes, las velas solares no requieren combustible. Aunque el empuje es pequeño, se mantiene mientras brille el Sol y la vela esté desplegada. ^{[ 25 ]}

El concepto original se basaba únicamente en la radiación solar, como se muestra, por ejemplo, en el relato de Arthur C. Clarke de 1965, " Sunjammer ". Diseños más recientes de velas solares proponen aumentar el empuje dirigiendo láseres o máseres terrestres hacia la vela. Estos láseres o máseres terrestres también pueden ayudar a una nave espacial de vela solar a desacelerar : la vela se divide en una sección exterior e interior, la sección exterior se empuja hacia adelante y su forma se modifica mecánicamente para concentrar la radiación reflejada en la sección interior, y esta radiación concentrada actúa como freno.

Aunque la mayoría de los artículos sobre velas solares se centran en los viajes interestelares , ha habido varias propuestas para su uso dentro del Sistema Solar.

Actualmente, la única nave espacial que utiliza una vela solar como método principal de propulsión es IKAROS , lanzada por JAXA el 21 de mayo de 2010. Desde entonces, se ha desplegado con éxito y se ha demostrado que produce la aceleración esperada. Muchas naves espaciales y satélites convencionales también utilizan colectores solares, paneles de control de temperatura y parasoles como velas solares para realizar pequeñas correcciones en su actitud y órbita sin consumir combustible. Algunos incluso han contado con pequeñas velas solares diseñadas específicamente para este fin (por ejemplo, los satélites de comunicaciones geoestacionarios Eurostar E3000 , construidos por EADS Astrium ).

Es posible colocar estaciones o naves espaciales en órbitas que roten entre diferentes planetas; por ejemplo, un rover marciano rovería sincrónicamente entre Marte y la Tierra, con un consumo mínimo de propulsor para mantener la trayectoria. Los rovers son conceptualmente una buena idea, ya que los enormes escudos contra la radiación, el soporte vital y otros equipos solo necesitan colocarse en la trayectoria del rover una vez. Un rover podría combinar varias funciones: hábitat (por ejemplo, podría girar para producir un efecto de "gravedad artificial") o nave nodriza (proporcionando soporte vital a las tripulaciones de naves espaciales más pequeñas que viajan a bordo). ^{[ 26 ]} Los rovers también podrían ser excelentes naves de carga para el reabastecimiento de una colonia.

Un ascensor espacial es una estructura teórica que transportaría material desde la superficie de un planeta hasta su órbita. ^{[ 27 ]} La idea es que, una vez completada la costosa construcción del ascensor, se pueda transportar un número indefinido de cargas a la órbita con un coste mínimo. Incluso los diseños más sencillos evitan el círculo vicioso de los lanzamientos de cohetes desde la superficie, donde el combustible necesario para recorrer el último 10 % de la distancia hasta la órbita debe ser transportado desde la superficie, lo que requiere aún más combustible, y así sucesivamente. Los diseños más sofisticados de ascensores espaciales reducen el coste energético por viaje mediante el uso de contrapesos , y los proyectos más ambiciosos buscan equilibrar las cargas que suben y bajan, logrando así un coste energético cercano a cero. A los ascensores espaciales también se les ha denominado a veces " tallos de judías ", "puentes espaciales", "ascensores espaciales", "escaleras espaciales" y "torres orbitales". ^{[ 28 ]}

Un ascensor espacial terrestre está más allá de nuestra tecnología actual, aunque teóricamente se podría construir un ascensor espacial lunar utilizando materiales existentes.

Un skyhook es una clase teórica de propulsión por cable orbital destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Las propuestas para skyhooks incluyen diseños que emplean cables que giran a velocidad hipersónica para capturar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y colocarlas en órbita. ^{[ 34 ]} Además, se ha sugerido que el skyhook giratorio "no es factible desde el punto de vista de la ingeniería utilizando los materiales disponibles actualmente". ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

La SpaceX Starship está diseñada para ser completamente reutilizable y de forma rápida, utilizando la tecnología reutilizable de SpaceX que se desarrolló entre 2011 y 2018 para los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy . ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Elon Musk, CEO de SpaceX, estima que la capacidad de reutilización, tanto del vehículo de lanzamiento como de la nave espacial asociada a Starship, reducirá los costos totales del sistema por tonelada entregada a Marte en al menos dos órdenes de magnitud con respecto a lo que la NASA había logrado anteriormente. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

Al lanzar sondas interplanetarias desde la superficie de la Tierra, transportando toda la energía necesaria para la misión de larga duración, la cantidad de carga útil es necesariamente muy limitada, debido a las limitaciones de masa base descritas teóricamente por la ecuación del cohete . Una alternativa para transportar más masa en trayectorias interplanetarias es utilizar casi todo el propulsor de la etapa superior en el lanzamiento y luego recargar el propulsor en órbita terrestre antes de encender el cohete a la velocidad de escape para una trayectoria heliocéntrica . Estos propulsores podrían almacenarse en órbita en un depósito de propulsor o transportarse a órbita en un buque cisterna para ser transferidos directamente a la nave espacial interplanetaria. Para devolver masa a la Tierra, una opción relacionada es extraer materias primas de un objeto celeste del sistema solar, refinarlas, procesarlas y almacenar los productos de reacción (propulsor) en el cuerpo del Sistema Solar hasta que sea necesario cargar un vehículo para el lanzamiento.

Las naves espaciales actuales intentan lanzarse con todo el combustible (propulsores y suministros de energía) que necesitarán para todo su viaje, y las estructuras espaciales actuales se elevan desde la superficie terrestre. Las fuentes de energía y materiales no terrestres se encuentran, en su mayoría, mucho más lejos, pero la mayoría no requeriría ser extraídas de un campo gravitatorio intenso y, por lo tanto, su uso en el espacio debería ser mucho más económico a largo plazo.

El recurso extraterrestre más importante es la energía, ya que puede utilizarse para transformar materiales extraterrestres en formas útiles (algunas de las cuales también pueden generar energía). Se han propuesto al menos dos fuentes fundamentales de energía extraterrestre: la generación de energía solar (sin la interferencia de las nubes), ya sea directamente mediante células solares o indirectamente concentrando la radiación solar en calderas que producen vapor para accionar generadores; y los cables electrodinámicos que generan electricidad a partir de los potentes campos magnéticos de algunos planetas (Júpiter posee un campo magnético muy potente).

El hielo de agua sería muy útil y, de hecho, está muy extendido en las lunas de Júpiter y Saturno:

• La baja gravedad de estas lunas las convertiría en una fuente de agua más barata para las estaciones espaciales y las bases planetarias que extraerla de la superficie terrestre.
• Se podrían utilizar fuentes de energía no terrestres para electrolizar el hielo de agua y convertirlo en oxígeno e hidrógeno para su uso en motores de cohetes bipropelente .
• Los cohetes termonucleares o los cohetes termosolares podrían utilizarlo como masa de reacción . También se ha propuesto el hidrógeno para su uso en estos motores, el cual proporcionaría un impulso específico mucho mayor (empuje por kilogramo de masa de reacción), pero se ha afirmado que el agua superará al hidrógeno en términos de costo/rendimiento a pesar de su impulso específico mucho menor por órdenes de magnitud. ^{[ 45 ] [ 46 ]}
• Una nave espacial con un suministro de agua adecuado podría transportar el agua bajo el casco, lo que proporcionaría un margen de seguridad adicional considerable para la nave y sus ocupantes:
  • El agua absorbería y conduciría la energía solar, actuando así como un escudo térmico . Una nave que viajara por el sistema solar interior podría mantener un rumbo constante con respecto al Sol sin sobrecalentar el lado de la nave espacial que mira hacia el Sol, siempre que el agua bajo el casco circulara constantemente para distribuir uniformemente el calor solar por todo el casco;
  • El agua proporcionaría cierta protección adicional contra la radiación ionizante;
  • El agua actuaría como aislante contra el frío extremo, siempre y cuando se mantuviera caliente, ya sea por el Sol al viajar por el sistema solar interior o por una fuente de energía a bordo al viajar más lejos del Sol;
  • El agua proporcionaría cierta protección adicional contra los impactos de micrometeoritos, siempre que el casco estuviera compartimentado de manera que cualquier fuga pudiera aislarse en una pequeña sección del mismo.

El oxígeno es un componente común de la corteza lunar y probablemente abunda en la mayoría de los demás cuerpos del Sistema Solar. El oxígeno extraterrestre sería valioso como fuente de hielo de agua solo si se pudiera encontrar una fuente adecuada de hidrógeno . Entre sus posibles usos se incluyen:

• En los sistemas de soporte vital de naves espaciales, estaciones espaciales y bases planetarias.
• En los motores de cohetes, incluso si el otro propulsor debe obtenerse de la Tierra, el uso de oxígeno de origen extraterrestre podría reducir los costos de lanzamiento hasta en dos tercios para los combustibles de hidrocarburos, o en un 85 % para el hidrógeno. El ahorro es tan significativo porque el oxígeno representa la mayor parte de la masa en la mayoría de las combinaciones de propulsores para cohetes .

Desafortunadamente, el hidrógeno, junto con otros elementos volátiles como el carbono y el nitrógeno, son mucho menos abundantes que el oxígeno en el sistema solar interior.

Los científicos esperan encontrar una gran variedad de compuestos orgánicos en algunos de los planetas, lunas y cometas del sistema solar exterior , y el abanico de posibles usos es aún más amplio. Por ejemplo, el metano puede utilizarse como combustible (quemándose con oxígeno extraterrestre) o como materia prima para procesos petroquímicos , como la fabricación de plásticos . Además, el amoníaco podría ser una valiosa materia prima para la producción de fertilizantes destinados a los huertos de las bases orbitales y planetarias, reduciendo así la necesidad de transportar alimentos desde la Tierra.

Incluso la roca sin procesar puede ser útil como propulsor de cohetes si se emplean mecanismos de propulsión de masa .

Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de mantener la vida humana durante semanas, meses o incluso años. Se debe mantener una atmósfera respirable de al menos 35 kPa (5,1 psi) , con cantidades adecuadas de oxígeno, nitrógeno y niveles controlados de dióxido de carbono, gases traza y vapor de agua.  

En octubre de 2015, la Oficina del Inspector General de la NASA emitió un informe sobre riesgos para la salud relacionados con los vuelos espaciales tripulados , incluida una misión tripulada a Marte . ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Una vez que un vehículo abandona la órbita terrestre baja y la protección de la magnetosfera terrestre, entra en el cinturón de radiación de Van Allen , una región de alta radiación . Más allá de los cinturones de Van Allen, los niveles de radiación generalmente disminuyen, pero pueden fluctuar con el tiempo. ^{[ 49 ]} Estos rayos cósmicos de alta energía representan una amenaza para la salud . Incluso los niveles mínimos de radiación durante estas fluctuaciones son comparables al límite anual actual para los astronautas en órbita terrestre baja. ^{[ 50 ]}

Científicos de la Academia Rusa de Ciencias buscan métodos para reducir el riesgo de cáncer inducido por radiación en preparación para la misión a Marte. Entre las opciones, consideran un sistema de soporte vital que genere agua potable con bajo contenido de deuterio (un isótopo estable del hidrógeno ) para el consumo de la tripulación. Investigaciones preliminares han demostrado que el agua con bajo contenido de deuterio posee ciertos efectos anticancerígenos. Por lo tanto, se considera que el agua potable sin deuterio tiene el potencial de reducir el riesgo de cáncer causado por la exposición extrema a la radiación de la tripulación marciana. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

Además, las eyecciones de masa coronal del Sol son extremadamente peligrosas y resultan fatales para los humanos en un lapso de tiempo muy corto, a menos que estén protegidos por un blindaje masivo. ^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}

Cualquier fallo importante en una nave espacial durante el trayecto probablemente sea fatal, e incluso uno menor podría tener consecuencias peligrosas si no se repara rápidamente, algo difícil de lograr en el espacio. La tripulación de la misión Apolo 13 sobrevivió a pesar de una explosión causada por un tanque de oxígeno defectuoso (1970). ^{[ 60 ]}

Por razones astrodinámicas , los viajes espaciales económicos a otros planetas solo son viables dentro de ciertos periodos de tiempo . Fuera de estos periodos, los planetas son prácticamente inaccesibles desde la Tierra con la tecnología actual. Esto restringe los vuelos y limita las opciones de rescate en caso de emergencia. ^{[ 61 ]}