Un ascensor espacial lunar o elevador espacial lunar es un sistema de transporte propuesto para mover un vehículo mecánico de ascenso hacia arriba y hacia abajo por un cable atado en forma de cinta que se coloca entre la superficie de la Luna "en la parte inferior" y un puerto de atraque suspendido a decenas de miles de kilómetros arriba en el espacio en la cima.
Es similar en concepto a la idea más conocida del ascensor espacial basado en la Tierra , pero como la gravedad de la superficie de la Luna es mucho menor que la de la Tierra, los requisitos de ingeniería para construir un sistema de ascensor lunar se pueden cumplir utilizando materiales y tecnología ya disponibles. Para un ascensor lunar, el cable o correa se extiende considerablemente más lejos de la superficie lunar hacia el espacio que uno que se usaría en un sistema basado en la Tierra. Sin embargo, la función principal de un sistema de ascensor espacial es la misma en ambos casos; Ambos permiten un medio controlado y reutilizable para transportar cargas útiles, o posiblemente personas, entre una estación base en el fondo de un pozo de gravedad y un puerto de atraque en el espacio exterior.
Un ascensor lunar podría reducir significativamente los costes y mejorar la fiabilidad de los equipos de aterrizaje suave en la superficie lunar. Por ejemplo, permitiría el uso de propulsores de bajo empuje y eficiencia masiva (alto impulso específico), como los propulsores de iones que de otro modo no podrían aterrizar en la Luna. Dado que el puerto de acoplamiento estaría conectado al cable en un entorno de microgravedad , estas y otras unidades pueden llegar al cable desde la órbita terrestre baja (LEO) con un mínimo de combustible lanzado desde la Tierra. Con los cohetes convencionales , el combustible necesario para llegar a la superficie lunar desde LEO es muchas veces la masa al aterrizar, por lo que el ascensor puede reducir los costos de lanzamiento de cargas útiles con destino a la superficie lunar en un factor similar.
Hay dos puntos en el espacio donde el puerto de atraque de un ascensor podría mantener una posición estable y sincrónica lunar: los puntos de Lagrange Tierra-Luna L 1 y L 2 . La excentricidad de 0,055 de la órbita lunar significa que estos puntos no son fijos con respecto a la superficie lunar: el L 1 está a 56.315 km +/- 3.183 km de la cara de la Luna que mira hacia la Tierra (en el ecuador lunar) y el L 2 está a 62.851 km +/- 3.539 km del centro de la cara oculta de la Luna , en dirección opuesta. En estos puntos, el efecto de la gravedad de la Luna y el efecto de la fuerza centrífuga resultante de la rotación sincrónica y rígida del cuerpo del ascensor se anulan mutuamente. Los puntos lagrangianos L 1 y L 2 son puntos de equilibrio gravitacional inestable, lo que significa que serán necesarios pequeños ajustes inerciales para garantizar que cualquier objeto colocado allí pueda permanecer estacionario con respecto a la superficie lunar.
Ambas posiciones están sustancialmente más lejos que los 36.000 kilómetros que separan la Tierra de la órbita geoestacionaria. Además, el peso de la rama del sistema de cables que se extiende hasta la Luna tendría que equilibrarse con el del cable que se extiende más arriba, y la lenta rotación de la Luna significa que la rama superior tendría que ser mucho más larga que la de un sistema basado en la Tierra. , o estar rematado por un contrapeso mucho más masivo. Para suspender un kilogramo de cable o carga útil justo encima de la superficie de la Luna se necesitarían 1.000 kg de contrapeso, 26.000 km más allá de L 1 . (Un contrapeso más pequeño en un cable más largo, por ejemplo, 100 kg a una distancia de 230.000 km –más de la mitad del camino a la Tierra– tendría el mismo efecto de equilibrio.) Sin la gravedad de la Tierra para atraerlo, el kilogramo más bajo de un cable L 2 requeriría 1.000 kg de contrapeso a una distancia de 120.000 km de la Luna. La distancia media Tierra-Luna es de 384.400 km.
Normalmente se considera que el punto de anclaje de un ascensor espacial está en el ecuador. Sin embargo, hay varios casos posibles para ubicar una base lunar en uno de los polos de la Luna; una base en un pico de luz eterna podría aprovechar la energía solar casi continua, por ejemplo, o pequeñas cantidades de agua y otros volátiles podrían quedar atrapadas en el fondo de los cráteres permanentemente sombreados. Un ascensor espacial podría anclarse cerca de un polo lunar, aunque no directamente en él. Se podría utilizar un tranvía para llevar el cable hasta el polo, ya que la baja gravedad de la Luna permite torres de soporte mucho más altas y tramos más anchos entre ellas de lo que sería posible en la Tierra.
Debido a la menor gravedad de la Luna y a la falta de atmósfera, un ascensor lunar tendría requisitos menos estrictos para la resistencia a la tracción del material que compone su cable que un cable atado a la Tierra. Un ascensor terrestre requeriría materiales de alta relación resistencia-peso que son teóricamente posibles, pero que aún no se fabrican en la práctica (por ejemplo, nanotubos de carbono ). Sin embargo, se podría construir un ascensor lunar utilizando fibras de para-aramida de alta resistencia producidas en masa y disponibles comercialmente (como Kevlar y M5 ) o fibra de polietileno de peso molecular ultraalto .
En comparación con un ascensor espacial terrestre, habría menos restricciones geográficas y políticas en cuanto a la ubicación de la conexión a la superficie. El punto de conexión de un ascensor lunar no necesariamente tendría que estar directamente debajo de su centro de gravedad, e incluso podría estar cerca de los polos, donde la evidencia sugiere que podría haber agua congelada en cráteres profundos que nunca ven la luz del sol; De ser así, esto podría recolectarse y convertirse en combustible para cohetes.
Los diseños de ascensores espaciales para la Tierra suelen tener una forma cónica de la correa que proporciona un perfil de tensión uniforme en lugar de una sección transversal uniforme. Debido a que el requisito de resistencia de un ascensor espacial lunar es mucho menor que el de un ascensor espacial terrestre, es posible una sección transversal uniforme para el ascensor espacial lunar. El estudio realizado para el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA afirma que "los compuestos actuales tienen alturas características de unos pocos cientos de kilómetros, lo que requeriría proporciones de ahusamiento de aproximadamente 6 para Marte, 4 para la Luna y aproximadamente 6000 para la Tierra. La masa de la Luna es lo suficientemente pequeño como para poder construir un ascensor espacial lunar de sección transversal uniforme, sin ningún ahusamiento." [1] Una sección transversal uniforme podría hacer posible construir un ascensor espacial lunar en una configuración de polea de doble atadura. Esta configuración simplificaría enormemente las reparaciones de un ascensor espacial en comparación con una configuración de ascensor cónico. Sin embargo, una configuración de polea requeriría un puntal en el contrapeso de cientos de kilómetros de largo para separar la correa superior de la inferior y evitar que se enreden. Una configuración de polea también podría permitir que la capacidad del sistema se expanda gradualmente cosiendo nuevo material de atadura en el punto de Lagrange a medida que la atadura gira.
La idea de los ascensores espaciales existe desde 1960, cuando Yuri Artsutanov escribió un suplemento dominical a Pravda sobre cómo construir una estructura de este tipo y la utilidad de la órbita geosincrónica. Su artículo, sin embargo, no fue conocido en Occidente. [ cita necesaria ] Luego, en 1966, John Isaacs , líder de un grupo de oceanógrafos estadounidenses en el Instituto Scripps , publicó un artículo en Science sobre el concepto de usar cables delgados que cuelgan de un satélite geoestacionario. En ese concepto, los cables debían ser delgados (ahora se entiende que los cables/cordones delgados son más susceptibles al daño de los micrometeoroides ). Al igual que Artsutanov, el artículo de Isaacs tampoco era muy conocido por la comunidad aeroespacial. [ cita necesaria ]
En 1972, James Cline presentó un artículo a la NASA en el que describía un concepto de "cable lunar" similar a un ascensor lunar. [2] La NASA respondió negativamente a la idea citando riesgo técnico y falta de fondos. [3]
En 1975, a Jerome Pearson se le ocurrió de forma independiente el concepto de ascensor espacial y lo publicó en Acta Astronautica . Eso hizo que la comunidad aeroespacial en general tomara conciencia del ascensor espacial por primera vez. Su artículo inspiró a Sir Arthur Clarke a escribir la novela Las fuentes del paraíso (publicada en 1979, casi simultáneamente con la novela de Charles Sheffield sobre el mismo tema, La red entre los mundos ). En 1978, Pearson amplió su teoría a la luna y pasó a utilizar los puntos lagrangianos en lugar de tenerla en órbita geoestacionaria. [4]
En 1977, se publicaron póstumamente algunos artículos del pionero espacial soviético Friedrich Zander , que revelaban que concibió una torre espacial lunar en 1910. [5]
En 2005, Jerome Pearson completó un estudio para el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA que demostró que el concepto es técnicamente factible dentro del estado actual de la técnica utilizando materiales existentes comercialmente disponibles. [6]
En octubre de 2011, en el sitio web de LiftPort, Michael Laine anunció que LiftPort está persiguiendo un ascensor espacial lunar como objetivo provisional antes de intentar un ascensor terrestre. En la Reunión Anual de 2011 del Grupo de Análisis de Exploración Lunar (LEAG), el CTO de LiftPort, Marshall Eubanks, presentó un artículo sobre el prototipo del Ascensor Lunar en coautoría con Laine. [7] En agosto de 2012, Liftport anunció que el proyecto podría comenzar cerca de 2020. [8] [9] [10] En abril de 2019, el director ejecutivo de LiftPort, Michael Laine, informó que no había avances más allá del diseño conceptualizado de la compañía de ascensores lunares. [11]
A diferencia de los ascensores espaciales anclados a la Tierra, los materiales para los ascensores espaciales lunares no requerirán mucha fuerza. Los ascensores lunares se pueden fabricar con materiales disponibles en la actualidad. No se necesitan nanotubos de carbono para construir la estructura. [1] Esto haría posible construir el ascensor mucho antes, ya que aún faltan años para disponer de materiales de nanotubos de carbono en cantidades suficientes. [12]
Un material que tiene un gran potencial es la fibra M5 . Se trata de una fibra sintética más ligera que Kevlar o Spectra. [13] Según Pearson, Levin, Oldson y Wykes en su artículo The Lunar Space Elevator, una cinta M5 de 30 mm de ancho y 0,023 mm de espesor, sería capaz de soportar 2000 kg en la superficie lunar (2005). También podría albergar 100 vehículos de carga, cada uno con una masa de 580 kg, espaciados uniformemente a lo largo del ascensor. [1] Otros materiales que podrían utilizarse son la fibra de carbono T1000G, Spectra 200, Dyneema (utilizado en la nave espacial YES2 ) o Zylon . Todos estos materiales tienen longitudes de rotura de varios cientos de kilómetros por debajo de 1 g . [1]
Los materiales se utilizarán para fabricar el cable atado en forma de cinta que conectará desde los puntos de equilibrio L 1 o L 2 a la superficie de la luna. Los vehículos trepadores que viajarán a lo largo de estos cables en un sistema de ascensor terminado no se moverán muy rápido, simplificando así algunos de los desafíos de transferir carga y mantener la integridad estructural del sistema. Sin embargo, cualquier objeto pequeño suspendido en el espacio durante períodos prolongados de tiempo, como lo serían los cables atados, es vulnerable al daño de los micrometeoroides , por lo que un posible método para mejorar su capacidad de supervivencia sería diseñar un sistema de "multicintas" en lugar de simplemente un cable de un solo atado. [1] Un sistema de este tipo tendría interconexiones a intervalos regulares, de modo que si una sección de la cinta se daña, las secciones paralelas podrían soportar la carga hasta que lleguen vehículos robóticos para reemplazar la cinta cortada. Las interconexiones estarían espaciadas a unos 100 km, lo suficientemente pequeño como para permitir que un escalador robótico transporte la masa de los 100 km de cinta de reemplazo. [1]
Un método para poner en órbita los materiales necesarios desde la Luna sería el uso de vehículos robóticos de escalada. [1] Estos vehículos consistirían en dos ruedas grandes que presionan contra las cintas del ascensor para proporcionar suficiente fricción para la elevación. [1] Los escaladores se pueden configurar para cintas horizontales o verticales.
Las ruedas serían impulsadas por motores eléctricos, que obtendrían su energía de la energía solar o de rayos de energía. La potencia necesaria para subir a la cinta dependería del campo de gravedad lunar, que cae en el primer porcentaje de la distancia hasta L 1 . [1] La potencia que un escalador necesitaría para atravesar la cinta disminuye en proporción a la proximidad al punto L 1 . Si un escalador de 540 kg viajara a una velocidad de quince metros por segundo, cuando hubiera recorrido el siete por ciento del camino hasta el punto L 1 , la potencia requerida caería a menos de cien vatios, frente a los 10 kilovatios en la superficie.
Un problema al utilizar un vehículo con energía solar es la falta de luz solar durante algunas partes del viaje. Durante la mitad de cada mes, los paneles solares en la parte inferior de la cinta estarían a la sombra. [1] Una forma de solucionar este problema sería lanzar el vehículo desde la base con una cierta velocidad y luego, en el pico de la trayectoria, sujetarlo a la cinta. [1]
Los materiales de la Tierra pueden enviarse a órbita y luego descender a la Luna para ser utilizados en bases e instalaciones lunares. [1]
El ex presidente estadounidense George W. Bush , en un discurso sobre su Visión para la exploración espacial , sugirió que la Luna puede servir como un sitio rentable de construcción, lanzamiento y abastecimiento de combustible para futuras misiones de exploración espacial. Como señaló el presidente Bush, [14] "El suelo (lunar) contiene materias primas que podrían cosecharse y procesarse para obtener combustible para cohetes o aire respirable". Por ejemplo, el sistema de cohetes de carga pesada Ares V propuesto podría transportar de manera rentable [15] materias primas desde la Tierra a una estación de acoplamiento (conectada al elevador lunar como contrapeso) [16] donde se podrían construir y construir futuras naves espaciales. lanzado, mientras que los recursos lunares extraídos podrían enviarse desde una base en la superficie de la Luna, cerca del punto de anclaje del ascensor. Si el ascensor estuviera conectado de alguna manera a una base lunar construida cerca del polo norte de la Luna, entonces los trabajadores también podrían extraer el hielo de agua que se sabe que existe allí, proporcionando una amplia fuente de agua de fácil acceso para la tripulación en la estación de atraque del ascensor. [17] Además, dado que la energía total necesaria para el tránsito entre la Luna y Marte es considerablemente menor que entre la Tierra y Marte, este concepto podría reducir algunos de los obstáculos de ingeniería para enviar humanos a Marte.
El ascensor lunar también podría utilizarse para transportar suministros y materiales desde la superficie de la luna a la órbita de la Tierra y viceversa. Según Jerome Pearson, muchos de los recursos materiales de la Luna pueden extraerse y enviarse a la órbita terrestre más fácilmente que si fueran lanzados desde la superficie terrestre. [1] Por ejemplo, el propio regolito lunar podría usarse como material masivo para proteger estaciones espaciales o naves espaciales tripuladas en misiones largas contra las erupciones solares , la radiación de Van Allen y otros tipos de radiación cósmica . Los metales y minerales naturales de la Luna podrían extraerse y utilizarse para la construcción. Los depósitos lunares de silicio, que podrían usarse para construir paneles solares para enormes estaciones de energía solar satelitales , parecen particularmente prometedores. [1]
Una desventaja del ascensor lunar es que la velocidad de los vehículos que ascienden puede ser demasiado lenta para servir eficientemente como sistema de transporte humano. A diferencia de un ascensor terrestre, la mayor distancia desde la estación de acoplamiento hasta la superficie lunar significaría que cualquier "vagón de ascensor" tendría que poder sostener a una tripulación durante varios días, incluso semanas, antes de llegar a su destino. [12]