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 con forma de cinta que se encuentra entre la superficie de la Luna "en la parte inferior" y un puerto de acoplamiento suspendido a decenas de miles de kilómetros arriba en el espacio en la parte superior.
El concepto es similar al del ascensor espacial terrestre , más conocido , 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 pueden cumplirse utilizando materiales y tecnología ya disponibles. En el caso de un ascensor lunar, el cable o la correa se extiende considerablemente más lejos de la superficie lunar hacia el espacio que el que se utilizaría en un sistema terrestre. Sin embargo, la función principal de un sistema de ascensor espacial es la misma en ambos casos; ambos permiten un medio reutilizable y controlado de transportar cargas útiles de carga, 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 elevador lunar podría reducir significativamente los costos y mejorar la confiabilidad del equipo de aterrizaje suave en la superficie lunar. Por ejemplo, permitiría el uso de motores de bajo empuje y de bajo consumo de masa (impulso específico elevado), como los motores iónicos , que de otra manera no podrían aterrizar en la Luna. Dado que el puerto de acoplamiento estaría conectado al cable en un entorno de microgravedad , estos y otros motores 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 la LEO es muchas veces la masa de aterrizaje, por lo que el elevador puede reducir los costos de lanzamiento para cargas útiles destinadas a la superficie lunar por un factor similar.
Hay dos puntos en el espacio donde el puerto de atraque de un ascensor podría mantener una posición estable y sincrónica con la Luna: 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 en relación con la superficie lunar: 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 L 2 está a 62.851 km +/- 3.539 km del centro de la cara oculta de la Luna , en la 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 del cuerpo rígido del sistema de ascensor se anulan mutuamente. Los puntos lagrangianos L1 y L2 son puntos de equilibrio gravitacional inestable, lo que significa que se necesitarán pequeños ajustes inerciales para garantizar que cualquier objeto posicionado allí pueda permanecer estacionario con respecto a la superficie lunar .
Ambas posiciones están sustancialmente más arriba que los 36.000 km que separan la Tierra de la órbita geoestacionaria. Además, el peso del extremo del sistema de cable que se extiende hacia abajo hasta la Luna tendría que ser equilibrado por el cable que se extiende más arriba, y la lenta rotación de la Luna significa que el extremo superior tendría que ser mucho más largo que para un sistema basado en la Tierra, o estar rematado por un contrapeso mucho más pesado. Para suspender un kilogramo de cable o carga útil justo por 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 entre la Tierra y la 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 elementos volátiles podrían quedar atrapadas en el fondo de 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 mayores distancias 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 en cuanto a la resistencia a la tracción del material que compone su cable que un cable atado a la Tierra. Un ascensor basado en la Tierra 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, un ascensor lunar podría construirse 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 con la superficie. El punto de conexión de un ascensor lunar no tendría que estar necesariamente directamente bajo 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, esta podría ser recogida y convertida en combustible para cohetes.
Los diseños de ascensores espaciales para la Tierra suelen tener una conicidad 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 que el ascensor espacial lunar tenga una sección transversal uniforme. 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 relaciones de conicidad de aproximadamente 6 para Marte, 4 para la Luna y aproximadamente 6000 para la Tierra. La masa de la Luna es lo suficientemente pequeña como para que se pueda construir un ascensor espacial lunar de sección transversal uniforme, sin ninguna conicidad". [1] Una sección transversal uniforme podría hacer posible que se construya un ascensor espacial lunar en una configuración de polea de doble correa. 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 correa inferior y evitar que se enreden. Una configuración de poleas también podría permitir que la capacidad del sistema se expanda gradualmente cosiendo nuevo material de amarre en el punto de Lagrange a medida que el amarre gira.
La idea de los ascensores espaciales ha existido desde 1960, cuando Yuri Artsutanov escribió un suplemento dominical de Pravda sobre cómo construir una estructura de este tipo y la utilidad de la órbita geoestacionaria. Sin embargo, su artículo no era muy conocido en Occidente. [ cita requerida ] 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 utilizar cables delgados colgando de un satélite geoestacionario. En ese concepto, los cables debían ser delgados (ahora se entiende que los cables delgados/cuerdas son más susceptibles al daño de los micrometeoroides ). Al igual que Artsutanov, el artículo de Isaacs tampoco era muy conocido en la comunidad aeroespacial. [ cita requerida ]
En 1972, James Cline presentó un documento 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 riesgos técnicos y falta de fondos. [3]
En 1975, Jerome Pearson ideó de forma independiente el concepto del ascensor espacial y lo publicó en Acta Astronautica . Esto hizo que la comunidad aeroespacial en general conociera el ascensor espacial por primera vez. Su artículo inspiró a Sir Arthur Clarke a escribir la novela The Fountains of Paradise (publicada en 1979, casi simultáneamente con la novela de Charles Sheffield sobre el mismo tema, The Web Between the Worlds ). En 1978, Pearson extendió su teoría a la Luna y cambió a utilizar los puntos de Lagrange en lugar de tenerla en órbita geoestacionaria. [4]
En 1977 se publicaron póstumamente algunos artículos del pionero espacial soviético Friedrich Zander , que revelaban que había concebido 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 disponibles comercialmente. [6]
En octubre de 2011, en el sitio web de LiftPort, Michael Laine anunció que LiftPort está buscando 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 director técnico de LiftPort, Marshall Eubanks, presentó un documento sobre el prototipo de ascensor lunar coescrito por 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 empresa de ascensores lunares. [11]
A diferencia de los ascensores espaciales anclados en la Tierra, los materiales para los ascensores espaciales lunares no requieren mucha resistencia. Los ascensores lunares pueden fabricarse con materiales disponibles en la actualidad. No se requieren nanotubos de carbono para construir la estructura. [1] Esto haría posible construir el ascensor mucho antes, ya que los materiales de nanotubos de carbono disponibles en cantidades suficientes aún están a años de distancia. [12]
Un material que tiene un gran potencial es la fibra M5 . Se trata de una fibra sintética más ligera que el Kevlar o el 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 sería capaz de albergar 100 vehículos de carga, cada uno con una masa de 580 kg, espaciados uniformemente a lo largo del elevador. [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 con forma de cinta que conectará los puntos de equilibrio L 1 o L 2 a la superficie de la luna. Los vehículos de ascenso que recorrerán la longitud 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 estarían los cables atados, es vulnerable a daños por micrometeoroides , por lo que un posible método para mejorar su capacidad de supervivencia sería diseñar un sistema de "cintas múltiples" en lugar de un solo cable 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 transportar la carga hasta que pudieran llegar vehículos robóticos para reemplazar la cinta cortada. Las interconexiones estarían espaciadas aproximadamente a 100 km de distancia, lo que es 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 llevar los materiales necesarios desde la Luna a la órbita sería el uso de vehículos trepadores robóticos. [1] Estos vehículos consistirían en dos ruedas grandes que presionarían contra las cintas del elevador para proporcionar suficiente fricción para la elevación. [1] Los trepadores podrían configurarse para cintas horizontales o verticales.
Las ruedas serían impulsadas por motores eléctricos, que obtendrían su energía de la energía solar o de la energía emitida por rayos. La potencia necesaria para subir la cinta dependería del campo gravitatorio lunar, que disminuye en el primer porcentaje de la distancia a 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 necesaria se reduciría a menos de cien vatios, frente a los 10 kilovatios en la superficie.
Un problema con el uso de un vehículo alimentado 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, unirlo a la cinta. [1]
Los materiales de la Tierra podrían enviarse a la órbita y luego a la Luna para ser utilizados en bases e instalaciones lunares. [1]
El ex presidente de los Estados Unidos , George W. Bush , en un discurso sobre su visión para la exploración espacial , sugirió que la Luna podría servir como un sitio rentable para la construcción, el lanzamiento y el abastecimiento de combustible para futuras misiones de exploración espacial. Como señaló el presidente Bush, [14] "el suelo (lunar) contiene materias primas que podrían ser cosechadas y procesadas para obtener combustible para cohetes o aire respirable". Por ejemplo, el sistema propuesto de cohetes de carga pesada Ares V podría transportar de manera rentable [15] materias primas desde la Tierra hasta una estación de acoplamiento (conectada al elevador lunar como contrapeso), [16] donde podrían construirse y lanzarse futuras naves espaciales, mientras que los recursos lunares extraídos podrían enviarse desde una base en la superficie de la Luna, cerca del punto de anclaje del elevador. Si el elevador 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 acoplamiento del elevador. [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 hasta 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 con mayor facilidad que si se lanzaran desde la superficie de la Tierra. [1] Por ejemplo, el propio regolito lunar podría utilizarse como material masivo para proteger estaciones espaciales o naves espaciales tripuladas en misiones largas de 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 utilizarse para construir paneles solares para centrales de energía solar de satélites masivos , parecen particularmente prometedores. [1]
Una desventaja del ascensor lunar es que la velocidad de los vehículos de ascenso puede ser demasiado lenta para servir de manera eficiente como un sistema de transporte humano. A diferencia de un ascensor terrestre, la mayor distancia desde la estación de atraque hasta la superficie lunar significaría que cualquier "ascensor" tendría que ser capaz de sostener a una tripulación durante varios días, incluso semanas, antes de llegar a su destino. [12]