A Marte por cien mil millones de dólares

El programa VSE (Vision for Space Exploration) de la NASA tiene por objetivos la vuelta la Luna en 2020 y poner un hombre en Marte sobre 2030. Toda una declaración de intenciones, pero que por ahora no son más que sueños. La NASA se encuentra en la actualidad enfrascada en el diseño del cohete Ares I y la nave Orión. Para volver a la Luna es imprescindible el desarrollo del cohete gigante Ares V y el módulo lunar LSAM, proyectos que se hayan pendientes de aprobación. Si la Luna queda aún (económicamente) muy lejos, Marte todavía más, así que es lógico que se realicen estudios para establecer el coste y la viabilidad de una misión tripulada al planeta rojo. Hasta la fecha, la mayor parte de esos estudios eran más bien ciencia-ficción que otra cosa, ya que no había ningún compromiso oficial para viajar a Marte. Sin embargo, ahora que la NASA ha declarado públicamente su intención, los estudios deben ser lo tan realistas como sea posible, es decir, deben limitarse a las tecnologías, a las naves y a los lanzadores que la NASA podrá tener disponibles para 2030.

Y eso es lo que ha pasado con el reciente estudio de la NASA (Arquitectura 5.0) para poner un hombre en Marte alrededor de 2030. Aunque el estudio ha recibido mucha publicidad, lo cierto es que apenas da detalles sobre cómo realizar una misión de este tipo. Por eso me parece mucho más interesante este otro estudio de la empresa Space Works Engineering (aquí otra versión) presentado en la AIAA Space 2007, donde se investiga la posibilidad de una misión a Marte utilizando las infraestructuras del Programa Constellation, que es precisamente lo que desea la NASA. No se trata de un estudio “oficial”, en el sentido que no implica que una misión a Marte deba ser necesariamente así, pero es un primer paso para evaluar las posibilidades reales de esta aventura.

Resumiendo, el estudio mantiene que se pueden mandar tres hombres a la superficie de Marte con cuatro lanzamientos del cohete Ares V por 100 mil millones de dólares, una cifra elevada pero asequible si el clima político es favorable.

El esquema de la misión sería el siguiente:

1- Un cohete Ares V pondría en órbita terrestre en 2030 la etapa de propulsión a Marte (TMI, Trans-Mars Injection), de unas 123 toneladas.

2- Otro Ares V lanzaría poco después otra etapa de propulsión para maniobras en el espacio (ISPS, In-Space Propulsion Stage) junto con el hábitat inflable (Trans-Hab) donde vivirán los astronautas a la vuelta de su misión, así como la cápsula (una variante de la Orión) para regresar a la Tierra (72 t en total).

3- Las dos estructuras se acoplan automáticamente en órbita terrestre. La TMI hace ignición y tras cumplir su tarea, se separa del complejo. El resto del vehículo se dirige hacia Marte. Una vez allí, la etapa ISPS es usada para frenar al complejo en órbita marciana, donde esperará a los astronautas más de dos años.

4- En la siguiente ventana de lanzamiento (unos dos años después, en 2033), otro Ares V despega sin tripulación con un MEV (Mars Exploration Vehicle) que contiene un hábitat de superficie marciano, con una masa en conjunto de 35 t (20 t el hábitat propiamente dicho). El hábitat se dirige a Marte y allí entra en órbita (usando aerocaptura) y luego desciende a la superficie, donde esperará a la tripulación.

5- Poco después, el último Ares V parte con otro hábitat inflable y un MEV, éste equipado con una etapa de descenso y otra de ascenso, así como un rover presurizado de 4 t que hace uso de suitlocks, todo con una masa de unas 43 t.

Los dos MEV con su escudo térmico de aerocaptura: a la izquierda el hábitat y a la derecha el vehículo con las etapas de ascenso y descenso.

6- Los tres astronautas son lanzados en una cápsula Orión por un cohete Ares I y se acoplan con el MEV en órbita terrestre. La tripulación pasa al MEV y parte hacia Marte, la cápsula Orión vuelve a la Tierra sin tripulación.

7- Unos 200 días después, al llegar a Marte, el hábitat es desechado y el MEV realiza una maniobra de aerocaptura, para luego descender a la superficie. El MEV incluye un rover que llevará a los tres astronautas hasta el hábitat, donde pasarán 500 días investigando. Tras completar la misión, vuelven al MEV y despegan a la órbita marciana, donde se acoplan con el hábitat que lleva esperándoles varios años. Luego parten hacia la Tierra y aterrizan en la cápsula.

Arquitectura de la misión.

Lanzadores empleados para una misión.

El problema de cualquier misión a Marte es el mismo de toda misión espacial: la masa, o lo que es lo mismo, la implacable ecuación del cohete, que nos indica que al aumentar la masa útil de un vehículo de forma lineal, su masa total aumenta de forma exponencial. Para solventar este inconveniente, los cohetes se construyen usando fases desechables y lo mismo ocurre en misiones interplanetarias. Lo único que podemos hacer para disminuir la masa total de una misión a otro planeta es mejorar la eficiencia de la propulsión, disminuir la duración del viaje (así habría que llevar menos víveres), reducir el tamaño de la tripulación o repartir la masa útil del vehículo en distintas misiones. Hasta ahora, la mayoría de propuestas de misiones marcianas incluían un hábitat de superficie enviado de forma separada, ahorrando así masa útil. La originalidad de este esquema consiste en desdoblar los hábitats de ida y de vuelta para la tripulación en dos naves distintas, lo cual permite ahorrar una gran cantidad de masa útil, pues el hábitat del viaje de ida no es necesario frenarlo en órbita marciana junto al MEV con la tripulación, sino que es desechado. A cambio, el riesgo de la misión aumenta. Conviene apuntar que no es la primera vez que se propone un esquema parecido, pues tanto la Misión de Referencia de la NASA de 1997 como la Mars Direct de Robert Zubrin (1996) ya incorporaban el uso de distintos hábitats en los trayectos de ida y vuelta. De hecho, esta misión me recuerda muchísimo a las propuestas anteriores, aunque, eso sí, usando el hardware del Programa Constellation.

Al ser un estudio realista, se deben tomar una serie de elecciones que pueden resultar muy controvertidas. Veamos los puntos principales:

  • Propulsión: los autores rechazan la energía nuclear como propulsión en cualquiera de sus formas (térmica, iónica, etc), ya que consideran que la opinión pública no favorecería esta opción. Puesto que una misión tripulada a Marte es de por sí un proyecto controvertido, consideran que el uso de propulsión nuclear, aunque ideal desde un punto de vista técnico (ya que permitiría reducir drásticamente la duración del viaje) supondría aumentar los costes y el riesgo de cancelación del proyecto. Por lo tanto, todas las naves emplearían propelentes criogénicos (hidrógeno líquido y oxígeno líquido), los más eficientes. Sin embargo, mantener las bajísimas temperaturas de estos combustibles durante años sin que éstos se evaporen es un reto tecnológico formidable que escapa a la capacidad tecnológica actual. Los autores suponen que la tecnología estará lista para 2030, ya que el módulo lunar LSAM debe emplear una tecnología criogénica similar. Hay quienes piensan que esto es mucho suponer.
  • Fuentes de energía: siguiendo el anterior razonamiento, la fuente de energía de camino a Marte sería la energía solar. Sin embargo, en la superficie, el hábitat marciano y el rover probablemente harían uso de RTGs. Aquí surge la primera crítica: si se van a usar fuentes de energía radiactivas, ¿por qué no usar directamente energía nuclear para la propulsión? Probablemente los autores del estudio piensan que los RTGs son una versión de energía nuclear mucho más aceptable para la opinión pública, y quizás tengan razón.
  • Tripulación: mientras que la mayoría de los estudios proponen una tripulación de 4 a 10 personas, los autores limitan la tripulación de esta expedición a tres astronautas, pues consideran que la penalización de masa por cada miembro extra no compensa las ventajas. Aunque tres puede parecer un número muy pequeño, a mí me parece razonable y nunca he entendido porque la gente se empeña en mandar tripulaciones enormes en una aventura tan costosa y arriesgada.
  • Nada de ISRU: una de las opciones más polémicas es la renuncia a usar ISRU (In-Situ Resource Utilization), es decir, aprovechar la atmósfera marciana para producir combustible a partir de la atmósfera (metano) o el hielo para fabricar combustibles criogénicos, agua y oxígeno. Los autores argumentan esta decisión esgrimiendo que se trata de tecnologías incipientes con muchas variables desconocidas, así que apuestan por lo seguro y la expedición lleva consigo todo el combustible necesario, lo que implica un coste mayor.
  • Soporte vital realista: nada de granjas hidropónicas ni zarandajas similares. Quizás eso valga para una misión en 2080, pero por por ahora los autores consideran que una misión a Marte deberá llevar consigo todos los consumibles necesarios (agua, comida deshidratada, oxígeno, etc.). La única concesión a este esquema es el uso de tecnologías probadas en el reciclaje de agua y obtención de oxígeno a partir del agua desechada, al igual que en la ISS.
  • Aerocaptura: la única tecnología arriesgada adoptada por los autores del estudio es la aerocaptura, lo que permite economizar una enorme cantidad de masa útil. Se considera que se trata de una tecnología que estará lista para 2030. Este punto también me parece controvertido: no entiendo por qué la ISRU se considera muy avanzada, cuando sabemos que en Marte hay agua de sobra, y sin embargo esta tecnología sí es aceptable.
  • Aprender del pasado: hasta hace relativamente muy poco, todavía había proyectos que implicaban el uso de estructuras giratorias para generar gravedad artificial en una misión a Marte, pues se consideraba que la ingravidez sería peligrosa. Esto es un concepto que se remonta a los esquemas de exploración de Marte propuestos por von Braun en los años 50 y que la experiencia en la Mir y la ISS ha demostrado obsoleto. El cuerpo humano es perfectamente capaz de aguantar 300 días en ingravidez sin graves consecuencias. Igualmente, en lo referido a los riesgos de radiación, uno de los obstáculos más grandes, el estudio concluye que las dosis son las mínimas que pueden haber en una misión de este tipo, es decir, o se acepta un cierto riesgo de contraer cáncer o no vamos a Marte, así de simple, aunque naturalmente la nave incluye un refugio antiradiación en cada hábitat (para el hábitat de superficie se supone que la protección de la atmósfera marciana y el propio planeta es suficiente). De todas formas, la probabilidad de morir en una misión a Marte es probablemente superior a la de contraer cáncer, así que los riesgos están equilibrados.

Hay muchos puntos oscuros en este esquema de misión. Por ejemplo, hay varias partes peligrosas en la arquitectura, más allá de la maniobra de aerocaptura. En concreto, el MEV tripulado debe llevar a los astronautas hasta la órbita marciana tras 500 días en la superficie, ¿funcionará tras tanto tiempo?. Más aún, una vez en órbita de Marte, ¿qué pasaría si los astronautas no se pueden acoplar con el hábitat de regreso o éste se encuentra averiado?. También son muchos los que pueden pensar que lanzar cuatro cohetes gigantes y varias naves sólo para poner a tres hombres en la superficie del planeta rojo es un tanto excesivo, aunque otros proyectos propuestos necesitan un número de lanzamientos mucho más elevado.

De todas formas, lo más importante de este estudio es que es posible realizar una misión tripulada a Marte usando los equipos del Proyecto Constellation. Las únicas tecnologías que deben ser desarrolladas para que esta misión pueda ser una realidad son los hábitat inflables, la aerocaptura en la atmósfera marciana y la preservación de combustibles criogénicos durante largos periodos de tiempo.

¿Y el precio de todo esto?, pues unos 100 mil millones de dólares. Esta cifra incluye el desarrollo de los MEV y demás vehículos, así como todos los lanzamientos entre 2025 y 2040. Sin duda es mucho más caro que algunas estimaciones de otras misiones, aunque quizás se ajuste más a la realidad.

Comos hemos dicho, se trata de un esquema que tiene muchos puntos en común con algunas versiones del Mars Direct propuesto por Zubrin en su The Case for Mars. Mars Direct se planteó en los 90, cuando los escasos proyectos de misiones tripuladas al planeta rojo se basaban (de forma poco realista) en construir grandes naves en órbita terrestre usando la ISS o bases lunares. Ahora que la NASA va a renunciar al transbordador, está claro que la estrategia directa es la única opción viable, así que la visión de Zubrin y la Mars Society se ve reivindicada. Por otro lado, este estudio no incluye el uso de ISRU o reactores nucleares, cosa que sí hace el proyecto de Zubrin.

PD: por lo general he usado la palabra “combustible” con el significado de “propelente”, aunque soy consciente de la diferencia entre ambos términos. Ruego me perdonen los ingenieros y demás seres humanos puntillosos.

Otros proyectos de viaje tripulado a Marte:

Más info:


5 Comentarios

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AnonymousAnonymous

Le juro que yo no se si tiene todo el tiempo del mundo para escribir o que pasa, pero escribe los mejores artículos sobre espacio que existen en toda la red. Se lo juro. Le puedo decir que leo bastantes webs de espacio y la suya es de lejos la mejor, no exagero lo más mínimo. Es que hay tanta diferencia con los demás que parece de risa.

-Luyten-

enserio, yo también pienso igual, quizá desde el punto de vista profesional no sean artículos perfectos, pero los suyos tienen una forma tan clara y directa de hablar de estos temas que a mi parecer son los mejores que he leído, incluso mejores que los de Astroseti.

saludos

Daniel Marín

Hombre, es que no pretendo que desde el punto de vista profesional sean entradas “perfectas”, porque esto es solamente un blog personal y no tengo mucho tiempo (aunque no lo parezca), así que mi intención es transmitir mis ideas de la forma más clara y concisa posible. Si, al menos en tu opinión, te parece que lo he logrado, pues ya me doy por satisfecho.

Un saludo.

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