Cómo se viaja por el Espacio Exterior

Las diferencias entre la forma de desplazarse un vehículo en la Tierra bien sea por la superficie o por el aire respecto a hacerlo en el espacio exterior son considerables. En la Tierra, para seguir una trayectoria determinada necesitamos apoyarnos en algo material y con cierta estabilidad. Por todos es bien conocido que cuando un coche no se puede agarrar bien a la carretera porque hay placas de hielo ó manchas de aceite el vehiculo sigue su rumbo y no el que le marca el conductor. Algo parecido ocurre en los desplazamientos por fluidos, las aeronaves se pueden ver en serias dificultades si el medio (aire) del que se valen para mantener la trayectoria deseada se ve alterado por fuertes vientos, cambios bruscos de dirección de los mismos, corrientes descendentes, etc…

¿Qué ocurre cuando no hay nada donde apoyarse? En el espacio exterior hay un vacío casi absoluto.

¿Qué trayectorias siguen las naves espaciales? ¿Es la trayectoria recta entre dos puntos la más económica?

¿Qué tipos de energía utilizan para desplazarse y como generan la electricidad que necesitan para el consumo propio?

¿Cómo sabe el Centro de Control con precisión dónde se encuentra una nave?

En fin, a estas y otras preguntas tratare de dar respuesta en este artículo de la forma más sencilla y entendible que sea capaz.

Para desplazarse por el espacio todas la naves disponen de un motor principal para poder alterar su aceleración y unos pequeños jets RCS (Reaction Control System) para controlar los tres ejes, cabeceo, alabeo y guiñada (pitch, roll, and yaw).

En primer lugar vamos a ver cómo se pone un objeto en órbita terrestre.

Voy a emplear un símil que ya fue utilizado por Isaac Newton hace unos cuantos años. Imaginemos que subimos un cañón a una montaña muy alta, tanto como 100 Km. ó más, apuntamos como si quisiéramos que la bala orbitara la tierra y disparamos. Al poco tiempo podemos observar como la bala después de describir una trayectoria balística cae a la tierra.

Le ponemos más pólvora al cañón, disparamos de nuevo y la bala cae más lejos pero no se mantiene orbitando.

Solamente cuando el cañón lance la bala con una velocidad próxima a los 30.000 Km./h. (velocidad orbital) es cuando no caerá a la superficie de la Tierra sino que permanecerá orbitándola.

En la figura, he puesto el cañón en el Polo Norte, pero la mayoría de las bases de lanzamiento están más próximas al Ecuador y los lanzamientos siguen una trayectoria hacia el Este para aprovechar la velocidad de rotación de la Tierra y gastar menos combustible.

Este símil es válido para orbitar cualquier cuerpo celeste, la única variación son las cifras.

Si la nave quisiera salir de órbita terrestre para dirigirse por ejemplo a otro planeta, tendría que aumentar la velocidad y superar la llamada velocidad de escape, unos 40.000 Km./h.

Dicho esto, vamos a suponer que queremos viajar directamente a otro planeta, Marte por ejemplo, y tal y como está la economía utilizar la trayectoria más económica.

Parecería lógico pensar que lo que hay que hacer es apuntar bien el cohete hacia el planeta que queremos visitar ó un poco por delante por estar éste en movimiento, encender los motores y seguir una trayectoria recta hasta alcanzarle, pero los viajes interplanetarios no funcionan así, el Sol contiene más del 99 % de la masa del sistema solar y es el que manda.

De nuevo cogemos el cañón y esta vez con más pólvora, disparamos para que el proyectil entre en órbita Solar de tal forma que en su trayectoria se encuentre con el planeta a visitar. De esta manera solamente hay que dar a la bala un impulso inicial y el resto del viaje lo hace sin necesidad de aportar más energía, a lo sumo solamente pequeñas correcciones para que siga la trayectoria prevista.

Trataré de explicarlo un poco más, normalmente se siguen las llamadas "Órbitas de Transferencia de Hohmann" que consiste en una órbita Solar elíptica en la que tanto el punto de partida como de destino están en dicha órbita y el Sol en uno de sus focos . Es decir la nave en su desplazamiento desde la Tierra a Marte no seguiría una trayectoria rectilínea sino que seguiría un segmento (la mitad) de esa órbita solar según se muestra en la figura.

Como todo el Sistema Solar esta en continuo movimiento hay que estar seguro que cuando la nave llegue a la órbita de Marte se encuentre con él, por esa razón no se puede hacer el lanzamiento cuando uno quiera sino hay que hacerlo con el posicionamiento adecuado de ambos planetas, existiendo un pequeño margen que se conoce como "Ventana de Lanzamiento" (Launch Window).

Además habréis observado por las noticias que las misiones a Marte son cada 2 años porque con esta frecuencia se da la máxima aproximación entre ambos planetas y las agencias espaciales aprovechan esa circunstancia para que las misiones resulten más económicas y tarden menos en llegar a su destino.

Existe otra forma de desplazarse por el espacio con menos combustible por lo tanto más barata al hacerse con menos peso y menos volumen, pero siempre hay que pagar un precio y esta vez se paga con "tiempo". A este tipo de trayectorias se las conoce como "Trayectorias Asistidas por Gravedad" (Gravity Assist Trajectories).

Este método se utilizan sobretodo en misiones a lugares muy distantes y donde prime la economía sobre el tiempo de llegada.

Esta técnica consiste en utilizar la energía del campo gravitacional de planetas ó satélites para obtener una aceleración (si la nave pasa por detrás) ó un frenado (si pasa por delante) y se utilizara uno u otro dependiendo de lo que interese en cada caso.

Obviamente hay que calcular muy bien las posiciones de los planetas que se van a utilizar para este propósito a lo largo de su trayectoria para coincidir con ellos en el momento justo, por lo que la "Ventana de Lanzamiento" es más pequeña que si se hace el vuelo directo.

Ha habido más de una docena de naves espaciales que han utilizado esta técnica y la sonda espacial "Cassini" es un buen ejemplo. Para llegar a Saturno utilizó la asistencia gravitacional de Venus dos veces, después la de la Tierra y por último la de Júpiter, tardando casi 7 años en llegar a su destino pero gastando muy poco combustible.

http://www.youtube.com/watch?v=hRjaBORkhog

Cuando vemos despegar un cohete espacial desde una base de lanzamiento la mayor parte del vehículo esta ocupada por combustible, generalmente alojado en segmentos que se irán desprendiendo a medida que se consumen para ir eliminando peso.

El tipo de combustible que utilizan las naves espaciales es muy variado.

Hidrogeno líquido y oxígeno líquido ó derivados del petróleo más oxígeno líquido y son utilizados principalmente en las primeras etapas.

Hipergólicos (que se inflaman espontáneamente al entrar en contacto combustible y oxidante) como hidracina ó metilhidracina más tetróxido de dinitrógeno empleados sobretodo para las maniobras una vez ya en el espacio.

Combustibles sólidos como perclorato de amonio y polvo de aluminio. Utilizados comúnmente en las primeras etapas como suplemento.

Eléctricos por propulsión iónica. Se ioniza un gas (suele ser xenón) para después acelerar los iones electrostáticamente y al salir despedidas las partículas del gas ionizado impulsan la nave en sentido contrario por el principio de acción y reacción (tercera ley de Newton). Uno de los primeros satélites que utilizo este tipo de propulsión fue el "Deep Space 1" lanzado en 1998 y estuvo viajando hasta finales de 2001 sobrevolando un asteroide y un cometa. http://videos.howstuffworks.com/howstuffworks/189-how-deep-space-1-works-video.htm

Otro tipo de propulsión en ensayo son las velas solares fotónicas ó de plasma. El funcionamiento es similar al de los barcos de vela, la diferencia es que en este caso es el viento solar el que impulsa ó bien un haz enviado desde la tierra.

Para que una nave espacial llegue a buen término su misión además del cohete de lanzamiento que la catapulta al espacio, necesita al menos tres elementos más: estaciones de seguimiento (al rotar la tierra 360 grados cada 24 horas es conveniente disponer de al menos tres separadas unos 120 grados para poder tener contacto permanente), un Centro de Control y un grupo de investigadores encargados del estudio de los datos científicos recibidos.

Por ejemplo la NASA en su Red del Espacio Profundo DSN (Deep Space Network) dispone de tres estaciones gemelas principales, una en Goldstone, California (EE.UU.), otra en Canberra (Australia) y otra en Robledo de Chavela, Madrid (España). http://www.aviaciondigitalglobal.com/noticia.asp?NotId=14042&NotDesignId=4

El Centro de Control (en el caso de la red DSN está en JPL, Pasadena, California) debe saber con precisión la trayectoria que sigue la nave, dónde se encuentra en cada momento y a qué velocidad se desplaza, para entre otras cosas, poder suministrar a las estaciones de seguimiento "predicciones" (posición de la nave en un tiempo determinado y frecuencias).

Con las "preediciones", las estaciones de seguimiento saben dónde apuntar las antenas para establecer comunicación inicial con la nave. Además de recibir datos del estado de la nave, científicos etc. y enviárselos al Centro de Control e investigadores, también envía datos en sentido contrario, del Centro de Control a la nave y son de muy diversa índole, correcciones de trayectoria si procede, actualizaciones del software para cada fase de la misión, encendido ó apagado de equipos, experimentos, etc.

Otra función muy importante de las estaciones de seguimiento es el suministro de datos de navegación generados en la misma estación al Centro de Control tales como velocidad de la nave, distancia y posición angular.

Velocidad de la nave, determinada por el efecto Doppler de la portadora recibida.

Distancia, calculada enviando un código a la nave que ésta devuelve a la estación de seguimiento. Como el código viaja a la velocidad de la luz, para saber la distancia no hay más que computar el tiempo que ha transcurrido desde que se envío hasta que es recibido. Para todas estas actividades y otras muchas más, es imprescindible disponer de un reloj atómico. En el caso de las estaciones de la red DSN son del tipo MASER de Hidrógeno con una estabilidad mayor de 1 segundo en un millón de años.

Posición angular de la nave. Aunque los ángulos donde apuntan las antenas de seguimiento se conocen con precisión de milésimas de grado, esto no es suficientemente preciso para poder determinar la posición de una nave en el espacio profundo a efectos de navegación. Para afinar más, se miden distancias a la nave simultáneamente desde dos estaciones y por triangulación se obtienen resultados mejores. Pero como los científicos siempre quieren más y más, existe otra técnica que es extremadamente precisa VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Esta técnica consiste en el seguimiento simultáneo por dos estaciones ubicadas en continentes distintos (cuanto mayor separación, mayor resolución) alternativamente de la nave y a un Quasar (punto de referencia extragaláctico). Procesando los datos de las dos estaciones se obtienen tanto posición angular como distancias muy precisas.

Todas las naves espaciales necesitan electricidad para alimentar los complicados equipos que llevan a bordo.

Las primeras dependían exclusivamente de baterías.

Para vuelos tripulados es frecuente utilizar "células de combustible" (fuel cells), porque suministran electricidad y agua potable a partir de oxígeno e hidrógeno.

Para misiones hasta Marte, es común utilizar paneles solares y baterías.

A partir de distancias superiores a Marte, la intensidad de la luz solar es tan débil para sacar un buen rendimiento a los paneles solares que es aconsejable utilizar Generadores Térmicos de Radioisótopos RTG (Radioisotope Thermal Generator); son ligeros, compactos, sin partes móviles, duraderos y muy fiables. Consisten en un cilindro con material radiactivo (normalmente P-238) que produce calor. Este calor calienta unos termopares que generan la electricidad. Como ejemplos tenemos las naves Pioneer 10 & 11, Voyager 1 & 2 (con más de 34 años a sus espaldas y funcionando), Cassini, etc. En los EE.UU. por razones de seguridad las naves que utilizan este tipo de generadores tienen que ser verificadas por el Departamento de Energía y tener autorización del Presidente.

Como dato curioso, las naves Voyager están a tal distancia (saliendo ya del sistema solar) que cuando una estación de seguimiento les envía datos que obviamente viajan a la velocidad de la luz, la respuesta (que por parte de la nave es inmediata) no llega hasta el día siguiente.

La misiones espaciales son de varios tipos. Las hay que visitan un planeta ó satélite y se quedan orbitándolo para recoger datos y enviarlos a la Tierra.

En otras ocasiones se posan sobre la superficie del cuerpo celeste visitado e incluso pueden recoger muestras analizarlas y enviar los datos ó retornarlas físicamente a la Tierra como ocurrió con el proyecto Apollo.

Otras simplemente pasan cerca (flyby) y continúan, recogen información por medio de cámaras y sensores que llevan a bordo, ó como sucedió con la nave "Stardust", que capturó material de la cola de un cometa (Wild-2) y lo trajo a la Tierra para su análisis

Las comunicaciones son otro elemento fundamental para el éxito de un viaje espacial.

Una emisora de FM local puede tener más de 100 KW. con un alcance de unos 50 km. de radio. Un trasmisor de una nave espacial por limitaciones lógicas de peso y consumo de energía puede ser de solamente 20 W de potencia y ha de llegar en algunos casos a millones y millones de Km.

Las frecuencias utilizados suelen estar situadas en la región de las microondas y las antenas comúnmente son muy direccionales, esto quiere decir que la nave trasmite toda su energía concentrada por antenas paraboloides que apuntan hacia la Tierra y la estación receptora Terrestre tiene que apuntar con precisión a la nave con un monstruo de antena como las que hay en Camberra, Goldstone ó en Robledo de Chavela (Madrid) que disponen de un plato paraboloide mas grande que el diámetro del ruedo de la plaza de toros de Las Ventas al objeto de recoger la mayor cantidad de energía posible y después poder amplificarla cientos de miles de veces en amplificadores muy especiales refrigerados por helio a menos 269 grados centígrados para no introducir ruido en este proceso.

Los datos son siempre digitales (incluyendo la voz si son misiones tripuladas) y es común que vayan codificados para estar seguros de que se reciben libres de errores. La codificación no solamente permite saber que los datos recibidos en destino son los mismos trasmitidos en origen, sino que en algunos casos si se ha perdido alguno por el camino, se pueden reconstruir, siempre con un cierto límite. Los algoritmos de codificación son muy variados, Viterbi, Reed-Solomon, BCH (Bose Chaudhuryi Hocquenghem), etc.

Y para terminar, al que le gusten estos temas puede ir a visitar el museo que hay en la estación de seguimiento de Robledo de Chavela (Madrid), que es gratis y tiene cosas interesantes de ver. http://centrodevisitantes.com/

En la localidad de Fresnedillas de la Oliva, próxima a la Estación de seguimiento de Robledo, hay otro museo mostrando la aportación de este municipio a la investigación espacial con su antigua estación de seguimiento de vuelos tripulados perteneciente a la red MSFN (Manned Space Flight Network) primero y STDN (Station Tracking & Data Network) después.

http://www.turismofresnedillas.es/index.php?option=com_content&view=article&id=49:museolunar&catid=43:noticias-home&Itemid=28

Si se tiene tiempo y la economía lo permite, una visita al Museo Nacional del Aire y el Espacio Smithsonian en Washington DC es también una buena opción.

J.M.M.C.