¿Por qué es tan difícil viajar a Marte? La explicación en una sola imagen

Mucha gente se suele preguntar por qué es tan difícil poner un hombre en Marte. Si hace poco más de cuarenta años fuimos capaces de pisar la Luna, ¿qué tiene Marte de especial? Algunos pueden pensar que la distancia es el factor clave, pero no es así. Aunque obviamente Marte está más lejos que la Luna, ése no es el mayor problema. El verdadero desafío queda patente en la siguiente imagen:


Masa de una misión a Marte desde la órbita baja terrestre empleando propulsión química (NASA).

Como podemos ver, una misión a Marte desde la órbita baja terrestre (LEO) requiere nada más y nada menos que el ensamblaje de una nave de unas 4500 toneladas. O lo que es lo mismo, el equivalente a doce estaciones del tamaño de la ISS o 37 lanzamientos del cohete gigante Saturno V. ¿Cómo es esto posible? La explicación a este misterio la tenemos que encontrar en la despiadada Ecuación de Tsiolkovski, también conocida como la Ecuación del Cohete. Según las rígidas leyes de la física, un ligero aumento en la carga útil de una nave espacial requiere un aumento enorme en la masa inicial. ¿Por qué? Pues porque para lanzar esa carga extra es necesario transportar más combustible, lo que a su vez aumenta la masa inicial del vehículo haciendo necesario usar aún más combustible al lanzamiento.

Esto está muy bien, pero, ¿por qué una nave marciana debe ser tan grande? La razón es que a la Ecuación del Cohete debemos añadir otro factor que complica el poder viajar a otros planetas: la profundidad del pozo gravitatorio de la Tierra. Abandonar la gravedad terrestre es realmente difícil. Aunque parezca contraintuitivo, una nave situada en órbita baja a unos pocos cientos de kilómetros de altura ya ha recorrido el 73% del camino a otros planetas en términos energéticos. Efectivamente, para poner un objeto en órbita terrestre debemos acelerar hasta los 8 km/s, pero para abandonar la Tierra sólo necesitamos alcanzar los 11 km/s. El problema es que esa misma nave debe frenar para entrar en órbita marciana y luego tiene que aterrizar en la superficie del planeta rojo. Y, por supuesto, posteriormente tenemos que volver a la Tierra, para lo cual debemos llevar el combustible necesario para todas estas maniobras. Si recordamos el principio de la Ecuación del Cohete, entenderemos ahora por qué necesitamos una nave de 4000 toneladas para alcanzar el planeta rojo.

Por estos motivos, la dificultad en alcanzar un cuerpo del Sistema Solar no depende de la distancia, sino de la energía necesaria para realizar las maniobras orbitales. Por eso medimos el coste de una misión en términos de los cambios de velocidad necesarios para llegar al objetivo. En lenguaje astronáutico, esta diferencia de velocidades se denomina Delta-V y es la magnitud que rige la navegación por el Sistema Solar. Mientras que los marinos de antaño disponían de cartas en las que se señalaban las mejores rutas para esquivar las zonas sin viento y los arrecifes peligrosos, los planificadores de misiones espaciales cuentan en la actualidad con mapas de Delta-V.

Por ejemplo, para situarnos en órbita marciana desde LEO necesitamos una Delta-V de unos 6 km/s. O lo que es lo mismo, ¡viajar a la órbita de Marte desde la ISS requiere menos energía que un lanzamiento a la órbita terrestre! Poco importa que en el primer caso debamos recorrer varios millones de kilómetros mientras que en el segundo apenas tenemos que alejarnos unos pocos cientos. Pero si lo que queremos es posarnos en la superficie, la cosa cambia. Aunque el pozo gravitatorio de Marte es mucho menos profundo que el terrestre, la Delta-V total en este caso se dispara hasta alcanzar los 10,2 km/s. De ahí que la órbita marciana sea un destino muy atractivo en algunos planes de exploración del Sistema Solar, aunque se podría discutir sobre el interés que tiene mandar una nave tripulada hasta Marte y volver sin tocar la superficie.


Mapa del Delta-V necesario para viajar a algunos lugares del Sistema Solar (Wikipedia).


Una visión más gráfica de los pozos gravitatorios del Sistema Solar (xkcd.com)

Obviamente, una vez fijado el destino no podemos modificar la Delta-V, pero, ¿es posible reducir la enorme masa inicial de una nave marciana? Por supuesto, usando la ecuación del cohete a nuestro favor. Es decir, si logramos un ligero descenso en la masa final de la nave, la masa inicial disminuirá mucho más. Lo primero que podemos hacer es dividir nuestra gran nave marciana en varios vehículos, (por este motivo los cohetes tienen varias etapas), aunque a cambio aumentará la complejidad de la misión.

Otra estrategia es emplear sistemas de propulsión más eficientes. La mayor parte de misiones interplanetarias contemplan el uso de combustibles hipergólicos, fácilmente almacenables pero poco eficientes. Si usamos combustibles criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos) podríamos reducir la masa de una nave marciana de forma significativa, aunque tendremos que desarrollar tecnologías que permitan almacenar estos combustibles sin que se evaporen. En caso de decantarnos por otros sistemas de propulsión más avanzados (nuclear, iónica, VASIMR, velas solares, etc.), el tamaño de la nave se puede reducir todavía más. La eficiencia de un sistema de propulsión se mide de acuerdo con el impulso específico (Isp).


Simplemente usando un sistema de propulsión avanzado (o criogénica) podemos reducir la masa de nuestra nave marciana a la mitad (NASA).


Propuesta de nave marciana de la empresa rusa RKK Energía que hace uso de propulsión iónica solar (RKK Energia).


Eficiencia (impulso específico) de distintos sistemas de propulsión en función de su empuje. A mayor impulso específico, menor será la masa de la nave interplanetaria (NASA).


Nave marciana de la NASA que emplea propulsión nuclear térmica (NASA).

Un atajo adicional es utilizar los recursos del planeta rojo con el fin de fabricar el combustible necesario para regresar a la Tierra. Por ejemplo, se puede crear metano -un magnífico combustible- a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana. Y si usamos sistemas más complejos es posible descomponer el hielo del subsuelo marciano en hidrógeno y oxígeno para procurarnos nuestra propia fuente de combustibles criogénicos. Estas técnicas para aprovechar los recursos locales se denominan ISRU (In-Situ Resource Utilization) y son claves a la hora de diseñar una misión al planeta rojo.


Propuesta de nave tripulada de la NASA que utiliza un reactor nuclear para generar metano a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana (NASA).

Por último, otra medida de adelgazamiento para nuestra nave consiste en utilizar las atmósferas planetarias a nuestro favor. Si alcanzamos la órbita marciana frenando la nave mediante el rozamiento con la atmósfera del planeta rojo podremos ahorrarnos una enorme cantidad de combustible. Esta técnica se conoce con el nombre de aerocaptura y resulta un desafío tecnológico de primer orden. De hecho, hasta la fecha ninguna misión ha llevado a cabo esta maniobra (aunque sí se ha usado el aerofrenado en varias sondas para disminuir la altura orbital). La aerocaptura requiere demás el empleo de grandes escudos térmicos -que también tienen una masa elevada-, pero en cualquier caso es una técnica que compensa de cara a una misión tripulada.


Una sonda francesa realiza aerocaptura para insertarse en órbita marciana (Beyond Apollo).

Si aplicamos a rajatabla todas estas medidas podemos reducir la masa de nuestra nave (o naves) marciana por debajo de las mil toneladas. La última propuesta de la NASA, denominada Mars Design Reference Architecture 5.0 (DRA 5.0), contempla una serie de naves marcianas con una masa total de «sólo» 850 toneladas. Para lograr este objetivo, DRA 5.0 hace uso de propulsión nuclear térmica, ISRU y aerocaptura.

Pese a todo, estamos hablando del equivalente a dos estaciones espaciales como la ISS, o lo que es lo mismo, unos siete lanzamientos de un cohete gigante como el malogrado Ares V. Teniendo en cuenta que el lanzador más potente en servicio que existe en la actualidad sólo es capaz de situar 25 toneladas en órbita baja, resulta obvio que Marte nos queda aún muy lejos. Pero si queremos viajar a otros planetas durante este siglo, más nos vale encontrar una solución a este dilema.

 
Reducción en la masa inicial de una nave marciana mediante el empleo de distintas tecnologías (NASA).


Esquema de la misión marciana DRA 5.0 (NASA).


Una nave con propulsión nuclear térmica se aproxima a Marte (NASA).

Notas:

1- Obviamente, la Delta-V es una magnitud que simplemente mide los cambios de velocidad y no tiene dimensiones de energía. Por eso se suele usar el cuadrado de la Delta-V como magnitud para medir el coste energético de las maniobras espaciales, ya que tiene unidades de energía por unidad de masa.

2- Cuando hablamos de «combustible» en realidad deberíamos usar el término propergol. Un cohete biporpelente requiere el uso de combustibles (queroseno, metano, hidrógeno, hidrazina, etc.) y un oxidante (oxígeno, ácido nítrico, etc.). También existen sistemas de propulsión monopropelentes.



105 Comentarios

  1. Carlos dice:

    Y bueno ¿no seria posible usar parte de la estructura de la ISS para ahorrar así algo de peso que no se tendría que poner en órbita?

    Por lo que he leído personalmente creo que VASIMR es la mejor solución para ir y volver de Marte, y ademas podrían con naves automáticas colocar en órbita marciana parte del combustible que haría falta para amartizar y/o despegar.

    Saludos

  2. no se rebajaría el peso de la nave con nuevos materiales, como el que está en boca de todos, el grafeno, que aún encima es megaresistente, y no hay posibilidad de encontrar uranio en marte para hacer nuestra central nuclear allí, de todas formas está claro que marte nos queda muy lejos aún.

  3. 10 + 10 < 10 * 10

    Antes de disponer de tecnologías del OGame se podría montar el cohete en órbita, «en cómodos plazos». Así lo que saldría hacia marte partiría de la órbita terrestre; no de la superficie. Más lanzamientos, pero menos I+D, y sobre todo, menos efecto Tsiolkovsky.

    Al llegar a marte, lo mismo pero al revés. Esto ya no sería nuevo. En las misiones Apollo 11 y sucesivas, lo que alunizaba no era toda la nave (45 toneladas) sino sólo el módulo lunar (15 toneladas), y es más, lo que despegaba era sólo un trozo del módulo lunar (4,5 toneladas).

  4. si mandar toda la masa necesaria para llegar y salir de marte de un viaje es casi prohibitivo por la ley del cohete,¿a nadie se le ha ocurrido mandar las piezas en diferentes misiones?

  5. Todos pensáis en dividir por piezas o partir desde la ISS y está muy bien. Por aportar algo diferente yo me planteo algo como una nave nodriza. sé que suena a película de ciencia ficción, pero si tuvieramos una nave grande, fabricada en la ISS, desde la que se pudieran lanzar naves más pequeñas…

  6. buen artículo!

    qué opinas sobre la idea de una misión a marte, pero sólo ‘de ida’, a mi me parece que resuelve muchos de los problemas técnicos, aunque se añaden los dilemas morales.

  7. una buena manera de realizar la mision a marte «creo » que seria de la siguiente manera

    el ascensor espacial es requisito fundamental para que no sea una ruina, y a dia de hoy si no me equivoco es POSIBLE construirlo con la tecnologia actual para la luna, y tambien para marte, pero para la tierra aun no han conseguido reforzar el cable debidamente (aun) asi que ai que solventar ese dilema,

    seria asi, de la tierra a la iss en ascensor espacial, de ai un transporte simple para el material y tripulacion hasta la iss, en la iss (que habria que llevarla hasta un punto de lagrange estara acoplada la nave interplanetaria (ya que tenemos la iss demosle todos los usos que podamos)(ademas ya se que llevar la iss a esa posicion requerira varios tanque de combustible, pero a lo mejor vale la pena)

    despegamos desde la iss en la nave interplanetaria hasta fobos, donde ai un puesto «avanzado» donde poder atracar la nave y repostarla (el viaje creo que serie una buea idea un sistema mixto, como vasimrs+vela solar, ademas la vela solar tambien podria recolectar energia no?)

    de fobos a usar un transporte con el material mas tripulacion hasta un elevador espacial colocado en marte

    creo que este sistema que permite especializar en 3 bloques los sistemas de transporte seria el ideal, ascensores para elevarse de la orbita, naves de transbordo ionicas para maniobras cortas entre estacion del ascensor y iss y fobos-estacion del ascensor de marte y la nave en si reutilizable infinidad de veces y con capacidad de una gran carga y de reparacion en orbita, nunca bajaria a ningun planeta

    los contras de esta «vision» es que requiere un considerable esfuerzo inicial, la construccion de ambos ascensores y sus plataformas es compleja, la base en fobos y el movimiento de la iss tambien, y la construccion en orbita de ese mastodonte seria un nuevo reto internacional

    que opinais?

    1. lo de el acensor me suena a ciencia-ficción x q, ¿soportarìa la fricciòn de la tierra en su rotación? y…¿x q, no se comprime el helio? (èso si es q, se pueda comprimir q, lo dudo.)

  8. Ya me doy cuenta que con lo mencionado en la entrada y sumado a la necesidad de usar una tecnología que no existe y que cuesta décadas y mucho dinero (políticas claras)alcanzar, me parece que muchos no llegamos a ver un hombre en Marte
    :(. Visto esto ya no es tan mala idea una misión a un asteroide :).

  9. Como siempre, magnífica entrada, Dani!

    Como veo, el viejo dilema para el viaje a Marte sigue siendo el mismo: Lo prohibitivamente caro que es poner el material en órbita! Desde luego, 37 lanzamientos de un Saturno V no hay presupuesto que lo aguante! (De hecho, corrígeme si me equivoco, no han existido tantos lanzamientos en toda la historia de este magnñifico cohete!). En fin, es obvio que la solución pasa por el desarrollo de nuevos materiales y nuevas formas de impulsión (¿alguién ha hablado de nanotecnología, metamateriales y uso de antimateria ;)?) y conseguir matener los «Criogénicos» sin que se evaporen.

    Por otra parte, veo que la gente sigue hablando del ascensor orbital, pero…¿no sería más cómodo y barato poner en órbita módulos y materiales mediante una gigantesca catapulta electromagnética? Desde luego, siempre que sea posible desarrollar un material que al lanzamiento no se derrita como mantequilla junto al horno, claro, pero creo que sería una forma rápida y efectiva de poner en órbita módulos y piezas para luego ensamblarlos.

    Un saludo!

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 13 junio, 2011
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Marte • NASA • sondasesp