Los vuelos espaciales interplanetarios o viajes interplanetarios son los viajes con o sin tripulación entre estrellas y planetas , normalmente dentro de un único sistema planetario . [1] En la práctica, los vuelos espaciales de este tipo se limitan a viajar entre los planetas del Sistema Solar . Sondas espaciales no tripuladas han volado a todos los planetas observados del Sistema Solar, así como a los planetas enanos Plutón y Ceres , así como a varios asteroides . Los orbitadores y módulos de aterrizaje devuelven más información que las misiones de sobrevuelo. Vuelos tripulados han alunizado en la Luna y se han planificado, de vez en cuando, hacia Marte , Venus y Mercurio . Si bien muchos científicos aprecian el valor del conocimiento que brindan los vuelos sin tripulación, el valor de las misiones tripuladas es más controvertido. Los escritores de ciencia ficción proponen una serie de beneficios, incluida la minería de asteroides, el acceso a la energía solar y espacio para la colonización en caso de una catástrofe en la Tierra.
Se han desarrollado varias técnicas para hacer que los vuelos interplanetarios sean más económicos. Los avances en informática y ciencia teórica ya han mejorado algunas técnicas, mientras que nuevas propuestas pueden conducir a mejoras en la velocidad, la economía de combustible y la seguridad. Las técnicas de viaje deben tener en cuenta los cambios de velocidad necesarios para viajar de un cuerpo a otro en el Sistema Solar. Para vuelos orbitales, se debe realizar un ajuste adicional para que coincida con la velocidad orbital del cuerpo de destino. Otros desarrollos están destinados a mejorar el lanzamiento y la propulsión de cohetes, así como el uso de fuentes de energía no tradicionales. El uso de recursos extraterrestres para obtener energía, oxígeno y agua reduciría los costos y mejoraría los sistemas de soporte vital.
Cualquier vuelo interplanetario tripulado debe incluir ciertos requisitos de diseño. Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de sustentar vidas humanas durante largos períodos de tiempo. Se necesitan medidas preventivas para reducir la exposición a la radiación y garantizar una fiabilidad óptima.
Sondas espaciales guiadas remotamente han sobrevolado todos los planetas observados del Sistema Solar, desde Mercurio hasta Neptuno ; la sonda New Horizons ha sobrevolado el planeta enano Plutón y la nave espacial Dawn , que actualmente orbita el planeta enano Ceres . Las naves espaciales más distantes, Voyager 1 y Voyager 2, abandonaron el Sistema Solar el 8 de diciembre de 2018, mientras que Pioneer 10 , Pioneer 11 y New Horizons están en camino de abandonarlo. [2]
En general, los orbitadores y módulos de aterrizaje planetarios devuelven información mucho más detallada y completa que las misiones de sobrevuelo. Se han colocado sondas espaciales en órbita alrededor de los cinco planetas conocidos por los antiguos: el primero es Venus ( Venera 7 , 1970), Marte ( Mariner 9 , 1971), Júpiter ( Galileo , 1995), Saturno ( Cassini/Huygens , 2004). ), y más recientemente Mercurio ( MESSENGER , marzo de 2011), y han devuelto datos sobre estos cuerpos y sus satélites naturales .
La misión NEAR Shoemaker del año 2000 orbitó el gran asteroide cercano a la Tierra 433 Eros , e incluso aterrizó allí con éxito, aunque no había sido diseñada teniendo en cuenta esta maniobra. La nave espacial japonesa de propulsión iónica Hayabusa también orbitó en 2005 el pequeño asteroide cercano a la Tierra 25143 Itokawa , aterrizó brevemente en él y devolvió granos de su material superficial a la Tierra. Otra misión de propulsión iónica, Dawn , orbitó el gran asteroide Vesta (julio de 2011 – septiembre de 2012) y luego se trasladó al planeta enano Ceres , donde llegó en marzo de 2015.
Módulos de aterrizaje controlados remotamente como Viking , Pathfinder y los dos Mars Exploration Rovers han aterrizado en la superficie de Marte y varias naves espaciales Venera y Vega han aterrizado en la superficie de Venus, esta última desplegando globos en la atmósfera del planeta. La sonda Huygens aterrizó con éxito en Titán , la luna de Saturno .
No se han enviado misiones tripuladas a ningún planeta del Sistema Solar. El programa Apolo de la NASA , sin embargo, llevó a doce personas a la Luna y las devolvió a la Tierra . La Visión Estadounidense para la Exploración Espacial , presentada originalmente por el presidente estadounidense George W. Bush y puesta en práctica a través del programa Constellation , tenía como objetivo a largo plazo enviar eventualmente astronautas humanos a Marte. Sin embargo, el 1 de febrero de 2010, el presidente Barack Obama propuso cancelar el programa en el año fiscal 2011. Un proyecto anterior que recibió una planificación importante por parte de la NASA incluía un sobrevuelo tripulado de Venus en la misión Tripulada Venus Flyby , pero fue cancelado cuando el El programa de aplicaciones Apollo finalizó debido a los recortes presupuestarios de la NASA a finales de los años 1960.
Los costos y el riesgo de los viajes interplanetarios reciben mucha publicidad; ejemplos espectaculares incluyen el mal funcionamiento o fallas totales de sondas sin tripulación humana, como Mars 96 , Deep Space 2 y Beagle 2 (el artículo Lista de sondas del Sistema Solar ofrece una Lista llena).
Muchos astrónomos, geólogos y biólogos creen que la exploración del Sistema Solar proporciona conocimientos que no podrían obtenerse mediante observaciones desde la superficie de la Tierra o desde la órbita alrededor de la Tierra. Pero no están de acuerdo sobre si las misiones tripuladas por humanos suponen una contribución científica útil: algunos piensan que las sondas robóticas son más baratas y seguras, mientras que otros sostienen que los astronautas o los científicos espaciales, asesorados por científicos terrestres, pueden responder de forma más flexible e inteligente a nuevas o nuevas amenazas. características inesperadas de la región que están explorando. [3]
Quienes pagan por tales misiones (principalmente en el sector público) tienen más probabilidades de estar interesados en beneficios para ellos mismos o para la raza humana en su conjunto. Hasta ahora, los únicos beneficios de este tipo han sido tecnologías "derivadas" que se desarrollaron para misiones espaciales y luego se demostró que eran al menos igual de útiles en otras actividades (la NASA publicita las derivaciones de sus actividades).
Otras motivaciones prácticas para los viajes interplanetarios son más especulativas, porque nuestras tecnologías actuales aún no están lo suficientemente avanzadas para soportar proyectos de prueba. Pero los escritores de ciencia ficción tienen un historial bastante bueno en la predicción de tecnologías futuras, por ejemplo, los satélites de comunicaciones geosincrónicas ( Arthur C. Clarke ) y muchos aspectos de la tecnología informática ( Mack Reynolds ).
Muchas historias de ciencia ficción presentan descripciones detalladas de cómo la gente podría extraer minerales de asteroides y energía de fuentes que incluyen paneles solares orbitales (sin obstáculos por nubes) y el campo magnético muy fuerte de Júpiter. Algunos señalan que tales técnicas pueden ser la única manera de proporcionar niveles de vida crecientes sin verse frenados por la contaminación o el agotamiento de los recursos de la Tierra (por ejemplo, el pico del petróleo ).
Finalmente, colonizar otras partes del Sistema Solar evitaría que toda la especie humana fuera exterminada por cualquiera de una serie de posibles eventos (ver Extinción humana ). Uno de estos posibles eventos es el impacto de un asteroide como el que pudo haber resultado en el evento de extinción del Cretácico-Paleógeno . Aunque varios proyectos de Spaceguard monitorean el Sistema Solar en busca de objetos que puedan acercarse peligrosamente a la Tierra, las estrategias actuales de desvío de asteroides son toscas y no han sido probadas. Para complicar aún más la tarea, las condritas carbonosas contienen bastante hollín y, por tanto, son muy difíciles de detectar. Aunque se cree que las condritas carbonosas son raras, algunas son muy grandes y el presunto " asesino de dinosaurios " puede haber sido una condrita carbonosa.
Algunos científicos, incluidos miembros del Instituto de Estudios Espaciales , sostienen que la gran mayoría de la humanidad acabará viviendo en el espacio y se beneficiará de ello. [4]
Uno de los principales desafíos de los viajes interplanetarios es producir los cambios de velocidad muy grandes necesarios para viajar de un cuerpo a otro en el Sistema Solar.
Debido a la atracción gravitacional del Sol, una nave espacial que se aleja del Sol se ralentizará, mientras que una nave espacial que se acerca aumentará su velocidad. Además, dado que dos planetas cualesquiera se encuentran a diferentes distancias del Sol, el planeta desde el que parte la nave espacial se mueve alrededor del Sol a una velocidad diferente a la del planeta hacia el que viaja la nave espacial (de acuerdo con la Tercera Ley de Kepler ). Debido a estos hechos, una nave espacial que desee trasladarse a un planeta más cercano al Sol debe disminuir su velocidad con respecto al Sol en gran medida para poder interceptarla, mientras que una nave espacial que viaje a un planeta más alejado del Sol debe aumentar su velocidad sustancialmente. [5] Luego, si además la nave espacial desea entrar en órbita alrededor del planeta de destino (en lugar de simplemente pasar volando junto a él), debe igualar la velocidad orbital del planeta alrededor del Sol, lo que generalmente requiere otro gran cambio de velocidad.
Hacer esto simplemente por fuerza bruta (acelerar en la ruta más corta hasta el destino y luego igualar la velocidad del planeta) requeriría una cantidad extremadamente grande de combustible. Y el combustible necesario para producir estos cambios de velocidad tiene que lanzarse junto con la carga útil y, por lo tanto, se necesita aún más combustible para poner en órbita tanto la nave espacial como el combustible necesario para su viaje interplanetario. Por tanto, se han ideado varias técnicas para reducir las necesidades de combustible de los viajes interplanetarios.
Como ejemplo de los cambios de velocidad involucrados, una nave espacial que viaja desde la órbita terrestre baja a Marte usando una trayectoria simple debe sufrir primero un cambio de velocidad (también conocido como delta -v ), en este caso un aumento, de aproximadamente 3,8 km/ s. Luego, después de interceptar a Marte, debe cambiar su velocidad otros 2,3 km/s para igualar la velocidad orbital de Marte alrededor del Sol y entrar en una órbita a su alrededor. [6] A modo de comparación, lanzar una nave espacial a la órbita terrestre baja requiere un cambio de velocidad de aproximadamente 9,5 km/s.
Durante muchos años, los viajes interplanetarios económicos implicaban utilizar la órbita de transferencia de Hohmann . Hohmann demostró que la ruta de menor energía entre dos órbitas cualesquiera es una "órbita" elíptica que forma una tangente a las órbitas inicial y de destino. Una vez que llegue la nave espacial, una segunda aplicación de empuje recirculará la órbita en la nueva ubicación. En el caso de las transferencias planetarias, esto significa dirigir la nave espacial, originalmente en una órbita casi idéntica a la de la Tierra, de modo que el afelio de la órbita de transferencia esté en el lado opuesto del Sol, cerca de la órbita del otro planeta. Una nave espacial 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 cuando está más cerca del centro de masa (es decir, el Sol) y más lenta cuando está más lejos del centro, la nave espacial Viajará bastante lentamente y todo lo que se necesita es una pequeña aplicación de empuje para ponerlo en una órbita circular alrededor de Marte. Si la maniobra se realiza en el momento adecuado, Marte estará "llegando" debajo de la nave espacial cuando esto suceda.
La transferencia de Hohmann se aplica a dos órbitas cualesquiera, no sólo a aquellas con planetas involucrados. Por ejemplo, es la forma más común de transferir satélites a la órbita geoestacionaria , después de haberlos "estacionado" primero en la órbita terrestre baja . Sin embargo, la transferencia de Hohmann tarda una cantidad de tiempo similar a la mitad del período orbital de la órbita exterior, por lo que en el caso de los planetas exteriores esto son muchos años, demasiado tiempo para esperar. También se basa en el supuesto de que los puntos en ambos extremos no tienen masa, como ocurre, por ejemplo, en el caso de una transferencia entre dos órbitas alrededor de la Tierra. Con un planeta en el destino final de la transferencia, los cálculos se vuelven considerablemente más difíciles.
La técnica del tirachinas gravitacional utiliza la gravedad de planetas y lunas para cambiar la velocidad y dirección de una nave espacial sin utilizar combustible. En un ejemplo típico, una nave espacial es enviada a un planeta distante en un camino mucho más rápido de lo que requeriría la transferencia Hohmann. Normalmente, esto significaría que llegaría a la órbita del planeta y continuaría más allá de ella. Sin embargo, si hay un planeta entre el punto de partida y el objetivo, se puede utilizar para desviar el camino hacia el objetivo y, en muchos casos, el tiempo total de viaje se reduce considerablemente. Un excelente ejemplo de esto son las dos naves del programa Voyager , que utilizaron efectos de tirachinas para cambiar de trayectoria varias veces en el Sistema Solar exterior. Es complicado 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 tirachinas en viajes a los planetas exteriores.
Esta maniobra sólo puede cambiar la velocidad de un objeto en relación con un tercer objeto no involucrado, 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 se puede utilizar en una honda gravitacional porque es estacionario en comparación con el resto del Sistema Solar, que orbita alrededor del Sol. Puede usarse para enviar una nave espacial o una sonda a la galaxia porque el Sol gira alrededor del centro de la Vía Láctea.
Una honda motorizada es el uso de un motor de cohete en la proximidad más cercana a un cuerpo ( periapsis ). El uso en este punto multiplica el efecto del delta-v, y da un efecto mayor que en otras ocasiones.
Las computadoras no existían cuando se propusieron por primera vez las órbitas de transferencia de Hohmann (1925) y eran lentas, costosas y poco confiables cuando se desarrollaron las resorteras gravitacionales (1959). Los recientes avances en informática han permitido explotar muchas más características de los campos gravitatorios de los cuerpos astronómicos y así calcular trayectorias de coste aún menor . [8] [9] Se han calculado rutas que unen los puntos de Lagrange de los distintos planetas en la llamada Red de Transporte Interplanetario . Estas "órbitas difusas" utilizan mucha menos energía que las transferencias de Hohmann, pero son mucho, mucho más lentas. No son prácticos para misiones con tripulación humana porque generalmente demoran años o décadas, pero pueden ser útiles para el transporte de grandes volúmenes de productos de bajo valor si la humanidad desarrolla una economía basada en el espacio .
El aerofrenado utiliza la atmósfera del planeta objetivo para reducir la velocidad. Se utilizó por primera vez en el programa Apolo, donde la nave espacial que regresaba no entraba en la órbita terrestre, sino que utilizaba un perfil de descenso vertical en forma de S (comenzando con un descenso inicialmente pronunciado, seguido de una nivelación, seguido de un ligero ascenso, seguido de una volver a una tasa positiva de descenso y continuar cayendo en el océano) a través de la atmósfera de la Tierra para reducir su velocidad hasta que el sistema de paracaídas pueda desplegarse permitiendo un aterrizaje seguro. El aerofrenado no requiere una atmósfera espesa; por ejemplo, la mayoría de los módulos de aterrizaje en Marte utilizan esta técnica, y la atmósfera de Marte es sólo alrededor del 1% tan espesa como la de la Tierra.
El aerofrenado convierte la energía cinética de la nave espacial en calor, por lo que requiere un escudo térmico para evitar que la nave se queme. Como resultado, el aerofrenado sólo es útil en los casos en que el combustible necesario para transportar el escudo térmico al planeta es menor que el combustible que se necesitaría para frenar una nave sin blindaje encendiendo sus motores. Esto se puede solucionar creando escudos térmicos a partir de material disponible cerca del objetivo. [10]
Se han propuesto varias tecnologías que ahorran combustible y proporcionan viajes significativamente más rápidos que la metodología tradicional de utilizar transferencias Hohmann. Algunos todavía son sólo teóricos, pero con el tiempo, varios de los enfoques teóricos se han probado en misiones de vuelos espaciales. Por ejemplo, la misión Deep Space 1 fue una prueba exitosa de un propulsor iónico . [11] Estas tecnologías mejoradas normalmente se centran en uno o más de:
Además de hacer que los viajes sean más rápidos o cuesten menos, tales mejoras también podrían permitir mayores "márgenes de seguridad" de diseño al reducir el imperativo de aligerar las naves espaciales.
Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación del cohete Tsiolkovsky , que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masa, desde la masa inicial ( M 0 , incluido el combustible) hasta la final ( M 1 , sin combustible). La principal consecuencia es que velocidades de misión superiores a unas pocas veces la velocidad del escape del motor del cohete (con respecto al vehículo) rápidamente se vuelven poco prácticas, ya que la masa seca (masa de la carga útil y del cohete sin combustible) cae por debajo del 10% de la masa húmeda de todo el cohete (masa del cohete con combustible).
En un cohete térmico nuclear o un cohete solar térmico , un fluido de trabajo, generalmente hidrógeno , se calienta a una temperatura alta y luego se expande a través de la boquilla de un cohete para crear empuje . La energía reemplaza la energía química de los químicos reactivos en un motor de cohete tradicional . Debido a la baja masa molecular y, por tanto, a la alta velocidad térmica del hidrógeno, estos motores son al menos dos veces más eficientes en combustible que los motores químicos, incluso después de incluir el peso del reactor. [ cita necesaria ]
La Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos y la NASA probaron algunos diseños entre 1959 y 1968. Los diseños de la NASA fueron concebidos como reemplazos de las etapas superiores del vehículo de lanzamiento Saturn V , pero las pruebas revelaron problemas de confiabilidad, causados principalmente por la vibración y el calentamiento involucrados en hacer funcionar los motores a niveles de empuje tan altos. Consideraciones políticas y medioambientales hacen poco probable que se utilice un motor de este tipo en un futuro previsible, ya que los cohetes térmicos nucleares serían más útiles en la superficie de la Tierra 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 que se describen a continuación y, por lo tanto, son soluciones menos atractivas. Para aplicaciones que requieren una alta relación empuje-peso, como el escape planetario, la energía térmica nuclear es potencialmente más atractiva. [12]
Los sistemas de propulsión eléctrica utilizan una fuente externa, como un reactor nuclear o células solares , para generar electricidad , que luego se utiliza para acelerar un propulsor químicamente inerte a velocidades mucho mayores que las alcanzadas en un cohete químico. Estos propulsores producen un empuje débil y, por tanto, no son adecuados para maniobras rápidas o para lanzamientos desde la superficie de un planeta. Pero son tan económicos en el uso de masa de reacción que pueden seguir disparando continuamente durante días o semanas, mientras que los cohetes químicos consumen masa de reacción tan rápidamente que sólo pueden disparar durante segundos o minutos. Incluso un viaje a la Luna es tiempo suficiente para que un sistema de propulsión eléctrica supere a un cohete químico: las misiones Apolo duraron tres días en cada dirección.
El Deep Space One de la NASA fue una prueba muy exitosa de un prototipo de propulsión iónica , que se disparó 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 (es decir, de demostración no tecnológica) de la NASA que utiliza un motor iónico para su propulsión primaria, orbitó con éxito los grandes asteroides del cinturón principal 1 Ceres y 4 Vesta . Se diseñó una versión más ambiciosa, de propulsión nuclear, para una misión a Júpiter sin tripulación humana, el Júpiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originalmente planeado para su lanzamiento en algún momento de la próxima década. Debido a un cambio de prioridades en la NASA que favoreció las misiones espaciales con tripulación humana, el proyecto perdió financiación en 2005. Actualmente se está discutiendo una misión similar como componente estadounidense de un programa conjunto NASA/ESA para la exploración de Europa y Ganímedes .
Un equipo de evaluación de aplicaciones tecnológicas multicéntrico de la NASA dirigido 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. [13] [14] Aunque Nautilus-X es adaptable a una variedad de unidades de propulsión específicas de la misión con varios diseños de bajo empuje y alto impulso específico (I sp ), el propulsor nuclear iónico-eléctrico se muestra con fines ilustrativos. Está destinado a la integración y verificación en la Estación Espacial Internacional (ISS) y sería adecuado para misiones al espacio profundo desde la ISS hacia la Luna y más allá, incluyendo Tierra/Luna L1 , Sol/Tierra L2 , asteroidal cercano a la Tierra , y destinos orbitales de Marte. Incorpora una centrífuga de gravedad reducida que proporciona gravedad artificial para la salud de la tripulación a fin de mejorar los efectos de la exposición a 0 g a largo plazo y la capacidad de mitigar el entorno de radiación espacial. [15]
Las misiones de propulsión eléctrica ya realizadas, o actualmente programadas, han utilizado energía eléctrica solar , limitando su capacidad para operar lejos del Sol, y también limitando su aceleración máxima debido a la masa de la fuente de energía eléctrica. Los motores nucleares eléctricos o de plasma, que funcionan durante largos períodos con poco empuje y están propulsados por reactores de fisión, pueden alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos de propulsión química.
Los cohetes de fusión , impulsados por reacciones de fusión nuclear , "quemarían" combustibles de elementos ligeros como el deuterio, el tritio o el 3 He. Debido a que la fusión produce alrededor del 1% de la masa del combustible nuclear como energía liberada, es energéticamente más favorable que la fisión, que libera sólo alrededor del 0,1% de la masa-energía del combustible. Sin embargo, las tecnologías de fisión o fusión pueden, en principio, alcanzar velocidades mucho mayores que las necesarias para la exploración del Sistema Solar, y la energía de fusión aún espera una demostración práctica en la Tierra.
Una propuesta que utilizó un cohete de fusión fue el Proyecto Daedalus . Otro sistema de vehículo bastante detallado, diseñado y optimizado para la exploración tripulada del Sistema Solar, el "Discovery II", [16] basado en la reacción D 3 He pero utilizando hidrógeno como masa de reacción, ha sido descrito por un equipo del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Alcanza velocidades características de >300 km/s con una aceleración de ~1,7·10 −3 g , con una masa inicial del barco de ~1700 toneladas métricas y una fracción de carga útil superior al 10%.
Se considera que los cohetes de fusión son una fuente probable de transporte interplanetario para una civilización planetaria . [17]
Consulte el artículo sobre propulsión de naves espaciales para conocer una serie de otras tecnologías que podrían, a medio y largo plazo, ser la base de las misiones interplanetarias. A diferencia de la situación de los viajes interestelares , las barreras a los viajes interplanetarios rápidos involucran ingeniería y economía más que física básica.
Las velas solares se basan en el hecho de que la luz reflejada desde una superficie ejerce presión sobre la superficie. 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 necesitan combustible. Aunque el empuje es pequeño, continúa mientras brilla el sol y la vela está desplegada. [18]
El concepto original se basaba únicamente en la radiación del Sol, por ejemplo en la historia de Arthur C. Clarke de 1965 " Sunjammer ". Los diseños de velas ligeras más recientes proponen aumentar el empuje apuntando láseres o máseres terrestres a la vela. Los láseres o máseres terrestres también pueden ayudar a desacelerar una nave espacial de vela ligera : la vela se divide en una sección exterior e interior, la sección exterior se empuja hacia adelante y su forma se cambia mecánicamente para enfocar la radiación reflejada en la parte interior, y la La radiación enfocada en la sección interior actúa como freno.
Aunque la mayoría de artículos sobre velas ligeras 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 principal método de propulsión es IKAROS , que fue 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 ordinarios también utilizan colectores solares, paneles de control de temperatura y parasoles como velas ligeras, para realizar pequeñas correcciones en su actitud y órbita sin utilizar combustible. Algunos incluso han construido pequeñas velas solares especialmente para este uso (por ejemplo, los satélites de comunicaciones geoestacionarios Eurostar E3000 construidos por EADS Astrium ).
Es posible colocar estaciones o naves espaciales en órbitas que ciclen entre diferentes planetas; por ejemplo, un ciclador de Marte circularía sincrónicamente entre Marte y la Tierra, con muy poco uso de propulsor para mantener la trayectoria. Los cicladores son conceptualmente una buena idea, porque los enormes escudos contra la radiación, el soporte vital y otros equipos sólo necesitan colocarse en la trayectoria del ciclador una vez. Un ciclador podría combinar varias funciones: hábitat (por ejemplo, podría girar para producir un efecto de "gravedad artificial"); nave nodriza (que proporciona soporte vital a las tripulaciones de naves espaciales más pequeñas que viajan en ella). [19] Los ciclistas también podrían ser excelentes buques de carga para el reabastecimiento de una colonia.
Un ascensor espacial es una estructura teórica que transportaría material desde la superficie de un planeta a la órbita. [20] La idea es que, una vez completado el costoso trabajo de construir el ascensor, se pueda transportar a órbita un número indefinido de cargas a un coste mínimo. Incluso los diseños más simples evitan el círculo vicioso de los lanzamientos de cohetes desde la superficie, en los que el combustible necesario para viajar el último 10% de la distancia hasta la órbita debe elevarse completamente desde la superficie, lo que requiere aún más combustible, y así sucesivamente. Los diseños de ascensores espaciales más sofisticados reducen el costo de energía por viaje mediante el uso de contrapesos , y los esquemas más ambiciosos apuntan a equilibrar las cargas que suben y bajan y así hacer que el costo de energía sea cercano a cero. A los ascensores espaciales también se les ha denominado a veces " tallos de habichuelas ", "puentes espaciales", "ascensores espaciales", "escaleras espaciales" y "torres orbitales". [21]
Un ascensor espacial terrestre está más allá de nuestra tecnología actual, aunque en teoría se podría construir un ascensor espacial lunar utilizando materiales existentes.
Un skyhook es una clase teórica de propulsión por correa en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. [22] [23] [24] [25] [26] Las propuestas para ganchos aéreos incluyen diseños que emplean correas que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aviones de gran altitud y colocarlos en órbita. [27] Además, se ha sugerido que el gancho giratorio "no es factible desde el punto de vista técnico utilizando los materiales actualmente disponibles". [28] [29] [30] [31] [32]
El SpaceX Starship está diseñado para ser total y rápidamente reutilizable, haciendo uso de la tecnología reutilizable de SpaceX que se desarrolló entre 2011 y 2018 para los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy . [33] [34]
El director ejecutivo de SpaceX, Elon Musk, estima que la capacidad de reutilización por sí sola, tanto en el vehículo de lanzamiento como en la nave espacial asociada con Starship, reducirá los costos generales del sistema por tonelada entregada a Marte en al menos dos órdenes de magnitud con respecto a lo que la NASA había logrado anteriormente. [35] [36]
Cuando se lanzan sondas interplanetarias desde la superficie de la Tierra, transportando toda la energía necesaria para una misión de larga duración, las cantidades de carga útil son necesariamente extremadamente limitadas, debido a las limitaciones de masa básica 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 rellenar los propulsores en la órbita terrestre antes de disparar el cohete para escapar de la velocidad de una trayectoria heliocéntrica . Estos propulsores podrían almacenarse en órbita en un depósito de propulsores o llevarse a órbita en un camión 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, refinar, procesar y almacenar los productos de reacción (propulsor) en el cuerpo del Sistema Solar hasta el momento en que sea necesario cargar un vehículo para su lanzamiento. .
A partir de 2019, SpaceX está desarrollando un sistema en el que un vehículo reutilizable de primera etapa transportaría una nave espacial interplanetaria tripulada a la órbita terrestre, se separaría, regresaría a su plataforma de lanzamiento donde se montaría una nave espacial cisterna encima, luego ambas recibirían combustible y luego se lanzarían nuevamente. para encontrarse con la nave espacial tripulada que esperaba. Luego, el petrolero transferiría su combustible a la nave espacial tripulada por humanos para su uso en su viaje interplanetario. La SpaceX Starship es una nave espacial con estructura de acero inoxidable propulsada por seis motores Raptor que funcionan con propulsores densificados de metano/oxígeno. Tiene 55 m (180 pies) de largo, 9 m (30 pies) de diámetro en su punto más ancho y es capaz de transportar hasta 100 toneladas (220 000 libras) de carga y pasajeros por viaje a Marte, con capacidad en órbita. recarga de propulsor antes de la parte interplanetaria del viaje. [36] [33] [37]
Como ejemplo de un proyecto financiado actualmente [ ¿cuándo? ] En desarrollo, una parte clave del sistema que SpaceX ha diseñado para Marte con el fin de disminuir radicalmente el costo de los vuelos espaciales a destinos interplanetarios es la ubicación y operación de una planta física en Marte para manejar la producción y el almacenamiento de los componentes propulsores necesarios para el lanzamiento. y volar las naves espaciales de regreso a la Tierra, o tal vez para aumentar la masa que puede transportarse a destinos en el Sistema Solar exterior . [36]
El primer Starship a Marte llevará una pequeña planta de propulsor como parte de su carga. La planta se ampliará a lo largo de varios sínodos a medida que lleguen, se instalen y se pongan en producción más equipos de forma mayoritariamente autónoma . [36]
La planta propulsora de SpaceX aprovechará las grandes reservas de dióxido de carbono y recursos hídricos de Marte, extrayendo el agua (H 2 O) del hielo subterráneo y recogiendo CO 2 de la atmósfera . Una planta química procesará las materias primas mediante electrólisis y el proceso Sabatier para producir oxígeno (O 2 ) y metano (CH 4 ), para luego licuarlas para facilitar su almacenamiento a largo plazo y su uso final. [36]
Los vehículos espaciales actuales intentan lanzarse con todo el combustible (propulsores y suministros energéticos) a bordo que necesitarán para todo su viaje, y las estructuras espaciales actuales se levantan de la superficie de la Tierra. Las fuentes de energía y materiales no terrestres están en su mayoría mucho más lejos, pero la mayoría no requeriría ser expulsada de un fuerte campo gravitatorio y, por lo tanto, su uso en el espacio debería ser mucho más barato a largo plazo.
El recurso no terrestre más importante es la energía, porque puede utilizarse para transformar materiales no terrestres en formas útiles (algunas de las cuales también pueden producir energía). Se han propuesto al menos dos fuentes de energía no terrestre fundamentales: la generación de energía solar (sin obstáculos por las nubes), ya sea directamente mediante células solares o indirectamente concentrando la radiación solar en calderas que producen vapor para impulsar los generadores; y ataduras electrodinámicas que generan electricidad a partir de los potentes campos magnéticos de algunos planetas (Júpiter tiene un campo magnético muy potente).
El hielo de agua sería muy útil y está muy extendido en las lunas de Júpiter y Saturno:
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 no terrestre sería valioso como fuente de hielo de agua sólo si se pudiera encontrar una fuente adecuada de hidrógeno . [ se necesita aclaración ] Los posibles usos incluyen:
Desafortunadamente, el hidrógeno, junto con otros volátiles como el carbono y el nitrógeno, son mucho menos abundantes que el oxígeno en el Sistema Solar interior.
Los científicos esperan encontrar una amplia gama de compuestos orgánicos en algunos de los planetas, lunas y cometas del Sistema Solar exterior , y la gama de posibles usos es aún más amplia. Por ejemplo, el metano se puede utilizar como combustible (quemado con oxígeno no terrestre) o como materia prima para procesos petroquímicos como la fabricación de plásticos . Y el amoníaco podría ser una materia prima valiosa para producir fertilizantes que se utilizarán en los huertos de las bases orbitales y planetarias, reduciendo la necesidad de transportarles alimentos desde la Tierra.
Incluso la roca sin procesar puede ser útil como propulsor de cohetes si se emplean impulsores de masa .
Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de sustentar 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 humana a Marte . [40] [41]
Una vez que un vehículo abandona la órbita terrestre baja y la protección de la magnetosfera terrestre, ingresa al 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. [42] 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. [43]
Los científicos de la Academia de Ciencias de Rusia están buscando métodos para reducir el riesgo de cáncer inducido por la radiación en preparación para la misión a Marte. Consideran como una de las opciones un sistema de soporte vital que genere agua potable con bajo contenido de deuterio (un isótopo estable del hidrógeno ) para ser consumida por los miembros de la tripulación. Investigaciones preliminares han demostrado que el agua pobre en deuterio presenta ciertos efectos anticancerígenos. Por lo tanto, se considera que el agua potable libre de deuterio tiene el potencial de reducir el riesgo de cáncer causado por la exposición extrema a la radiación de la tripulación marciana. [44] [45]
Además, las eyecciones de masa coronal del Sol son muy peligrosas y mortales en muy poco tiempo para los seres humanos, a menos que estén protegidos por un escudo masivo. [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52]
Cualquier falla importante en una nave espacial en ruta probablemente sea fatal, e incluso una falla menor podría tener resultados peligrosos si no se repara rápidamente, algo difícil de lograr en el espacio abierto. La tripulación de la misión Apolo 13 sobrevivió a pesar de una explosión provocada por un tanque de oxígeno defectuoso (1970).
Por razones astrodinámicas , los viajes económicos con naves espaciales a otros planetas sólo son prácticos dentro de determinados períodos de tiempo . Fuera de estas ventanas, los planetas son esencialmente inaccesibles desde la Tierra con la tecnología actual. Esto limita los vuelos y limita las opciones de rescate en caso de emergencia.
Uno de los principales beneficios de la propulsión térmica nuclear es su eficiencia.
Un cohete térmico nuclear puede alcanzar más del doble de eficiencia en comparación con un cohete químico convencional porque su propulsor se lleva a una temperatura mucho más alta que la que se puede alcanzar en una cámara de combustión convencional.
Entonces es un poco complicado.
Porque tenemos que descubrir cómo mejorar el coste de los viajes a Marte en un cinco millones por ciento... se traduce en una mejora de aproximadamente 4 1/2 órdenes de magnitud.
Estos son los elementos clave que se necesitan para lograr una mejora de 4 1/2 órdenes de magnitud.
La mayor parte de la mejora vendría de la reutilización total (entre 2 y 2 1/2 órdenes de magnitud) y luego los otros 2 órdenes de magnitud vendrían del rellenado en órbita, la producción de propulsor en Marte y la elección del propulsor adecuado.
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