La Red de Transporte Interplanetario ( ITN ) [1] es un conjunto de caminos determinados gravitacionalmente a través del Sistema Solar que requieren muy poca energía para que un objeto los siga. La ITN hace un uso particular de los puntos de Lagrange como lugares donde las trayectorias a través del espacio pueden ser redirigidas utilizando poca o ninguna energía. Estos puntos tienen la propiedad peculiar de permitir que los objetos orbiten alrededor de ellos, a pesar de no tener un objeto que orbitar, ya que estos puntos existen donde las fuerzas gravitacionales entre dos cuerpos celestes son iguales. Si bien utilizaría poca energía, el transporte a lo largo de la red tomaría mucho tiempo. [2]
Las órbitas de transferencia interplanetaria son soluciones al problema gravitacional de los tres cuerpos , que, en el caso general, no tiene soluciones analíticas y se aborda mediante aproximaciones de análisis numérico . Sin embargo, existe un pequeño número de soluciones exactas, en particular las cinco órbitas denominadas " puntos de Lagrange ", que son soluciones orbitales para órbitas circulares en el caso en que un cuerpo sea significativamente más masivo.
La clave para descubrir la Red de Transporte Interplanetario fue la investigación de la naturaleza de los sinuosos caminos cerca de los puntos de Lagrange Tierra-Sol y Tierra-Luna. Fueron investigados por primera vez por Henri Poincaré en la década de 1890. Observó que los caminos que conducían a cualquiera de esos puntos y que partían de ellos casi siempre se establecían, durante un tiempo, en una órbita alrededor de ese punto. [3] De hecho, hay un número infinito de caminos que llevan a uno al punto y lo alejan de él, y todos ellos requieren un cambio de energía casi nulo para alcanzarlo. Cuando se trazan, forman un tubo con la órbita alrededor del punto de Lagrange en un extremo.
La derivación de estas trayectorias se remonta a los matemáticos Charles C. Conley y Richard P. McGehee en 1968. [4] Hiten , la primera sonda lunar de Japón, fue trasladada a la órbita lunar utilizando una visión similar de la naturaleza de las trayectorias entre la Tierra y la Luna . A partir de 1997, Martin Lo , Shane D. Ross y otros escribieron una serie de artículos que identificaban la base matemática que aplicaba la técnica al retorno de muestras del viento solar de Genesis y a las misiones lunares y jovianas . Se refirieron a ella como una Superautopista Interplanetaria (IPS). [5]
Resulta que es muy fácil pasar de un camino que lleva al punto a otro que lleva de vuelta. Esto tiene sentido, ya que la órbita es inestable, lo que implica que uno acabará en uno de los caminos de salida sin gastar nada de energía. Edward Belbruno acuñó el término " límite de estabilidad débil " [6] o "límite difuso" [7] para este efecto.
Con un cálculo cuidadoso, se puede elegir el camino de salida que se desea seguir. Esto resulta útil, ya que muchos de estos caminos conducen a algunos puntos interesantes en el espacio, como la Luna de la Tierra o entre las lunas galileanas de Júpiter , en unos pocos meses o años. [8]
Para los viajes desde la Tierra a otros planetas, no son útiles para sondas tripuladas o no tripuladas, ya que el viaje llevaría muchas generaciones. Sin embargo, ya se han utilizado para transferir naves espaciales al punto Tierra-Sol L 1 , un punto útil para estudiar el Sol que se empleó en varias misiones recientes, incluida la misión Génesis , la primera en traer muestras del viento solar a la Tierra. [9] La red también es relevante para comprender la dinámica del Sistema Solar; [10] [11] El cometa Shoemaker-Levy 9 siguió una trayectoria de este tipo en su camino de colisión con Júpiter. [12] [13]
La ITN se basa en una serie de trayectorias orbitales predichas por la teoría del caos y el problema restringido de los tres cuerpos que conducen a las órbitas alrededor de los puntos de Lagrange, puntos en el espacio donde la gravedad entre varios cuerpos se equilibra con la fuerza centrífuga de un objeto que se encuentra allí. Para dos cuerpos cualesquiera en los que un cuerpo orbita alrededor del otro, como un sistema estrella/planeta o planeta/luna, hay cinco puntos de este tipo, denotados como L 1 a L 5 . Por ejemplo, el punto L 1 Tierra-Luna se encuentra en una línea entre los dos, donde las fuerzas gravitacionales entre ellos se equilibran exactamente con la fuerza centrífuga de un objeto colocado en órbita allí. Estos cinco puntos tienen requisitos delta-v particularmente bajos y parecen ser las transferencias de energía más bajas posibles, incluso más bajas que la órbita de transferencia Hohmann común que ha dominado la navegación orbital desde el comienzo de los viajes espaciales.
Aunque las fuerzas se equilibran en estos puntos, los tres primeros puntos (los que están en la línea entre una cierta masa grande, p. ej. una estrella , y una masa más pequeña en órbita, p. ej. un planeta ) no son puntos de equilibrio estables . Si una nave espacial colocada en el punto Tierra-Luna L 1 recibe incluso un ligero empujón para alejarse del punto de equilibrio, la trayectoria de la nave espacial divergirá del punto L 1. Todo el sistema está en movimiento, por lo que la nave espacial en realidad no chocará con la Luna, sino que viajará en una trayectoria sinuosa, hacia el espacio. Sin embargo, hay una órbita semiestable alrededor de cada uno de estos puntos, llamada órbita de halo . Las órbitas de dos de los puntos, L 4 y L 5 , son estables, pero las órbitas de halo para L 1 a L 3 son estables solo en el orden de meses .
Además de las órbitas alrededor de los puntos de Lagrange, la rica dinámica que surge de la atracción gravitatoria de más de una masa produce trayectorias interesantes, también conocidas como transferencias de baja energía . [4] Por ejemplo, el entorno gravitacional del sistema Sol-Tierra-Luna permite que las naves espaciales viajen grandes distancias con muy poco combustible, [ cita requerida ] aunque en una ruta a menudo tortuosa.
La nave espacial ISEE-3 , lanzada en 1978, fue enviada en una misión para orbitar alrededor de uno de los puntos de Lagrange. [14] La nave espacial pudo maniobrar alrededor de la vecindad de la Tierra utilizando poco combustible aprovechando el entorno gravitatorio único . Una vez completada la misión principal, la ISEE-3 pasó a cumplir otros objetivos, incluido un vuelo a través de la cola geomagnética y un sobrevuelo de un cometa. Posteriormente, la misión pasó a llamarse Explorador Internacional de Cometas (ICE).
La primera transferencia de baja energía utilizando lo que más tarde se llamaría ITN fue el rescate de la misión lunar Hiten de Japón en 1991. [15]
Otro ejemplo del uso del ITN fue la misión Génesis 2001-2003 de la NASA , que orbitó el punto L 1 Sol-Tierra durante más de dos años recolectando material, antes de ser redirigida al punto L 2 de Lagrange, y finalmente redirigida desde allí de regreso a la Tierra. [1]
La sonda SMART-1 de la Agencia Espacial Europea, de 2003 a 2006 , utilizó otra transferencia de baja energía desde la ITN. [ cita requerida ]
En un ejemplo más reciente, la nave espacial china Chang'e 2 utilizó el ITN para viajar desde la órbita lunar hasta el punto L 2 Tierra-Sol , para luego sobrevolar el asteroide 4179 Toutatis . [ cita requerida ]
Se dice que la trayectoria del asteroide 39P/Oterma desde fuera de la órbita de Júpiter hacia el interior y de regreso al exterior sigue estas trayectorias de baja energía. [1]