Hace unas semanas pudimos ver el informe Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0. Como su nombre indica, el documento nos perfila las líneas maestras de la infraestructura necesaria para llevar a cabo una misión tripulada al planeta rojo. Uno de los objetivos a largo plazo del Programa Constellation y de la Visión para la Exploración Espacial (VSE) es mandar un hombre a Marte y, aunque aún queda muy lejos, la NASA necesita tener claro cómo puede usar el hardware del Programa Constellation (Ares V, Orión, etc.) para viajar a al planeta vecino. El esquema de misión debe cumplir con los objetivos estratégicos del Exploration Systems Architecture Study (ESAS), que viene a ser algo así como la Biblia del Programa Constellation.
El estudio identifica e intenta responder una serie de cuestiones fundamentales relacionadas con cualquier misión a Marte:
- Tipo de misión. Las propuestas de viajes tripulados a Marte pasan por dos modelos: Tipo Conjunción y Tipo Oposición. Las misiones Tipo Conjunción maximizan la estancia en el planeta rojo (más de 500 días) a cambio de travesías más cortas. Las misiones Tipo Oposición minimizan el tiempo de estancia (unos 30 días) para disminuir así la energía requerida para viajar a Marte, aunque requieren tiempos de viaje mayores. El estudio apuesta claramente por el Tipo Conjunción, pues el objetivo es el estudio del planeta rojo, más allá de la demostración técnica de mandar seres humanos a otro planeta.
- Propulsión. A diferencia de otros estudios que emplean combustibles químicos tradicionales, la NASA apuesta aquí por el uso de motores nucleares térmicos (NTR) tipo NERVA, quizás la principal novedad de la propuesta y que podría ser un problema político potencial a largo plazo.
- Mandar carga antes de enviar a la tripulación. Casi todas las misiones a Marte contemplan el envío de carga a la superficie del planeta antes de la llegada de la tripulación para minimizar la masa de la nave tripulada y este estudio de la NASA también hace uso de esta estrategia. En concreto, se deberá enviar previamente un módulo hábitat y la nave de regreso a la órbita marciana.
- Aerocaptura y aerofrenado. Para minimizar la masa de los vehículos, las maniobras de aerocaptura y aerofrenado se consideran imprescindibles para cualquier misión a Marte. El estudio considera imprescindible el uso de aerocaptura en los vehículos de carga, aunque la nave tripulada no haría uso de esta técnica para minimizar el riesgo.
- ISRU (In-Situ Resource Utilization). Se puede usar la atmósfera marciana para crear combustible (metano) o el hielo subterráneo para generar agua, oxígeno y combustible (hidrógeno y oxígeno). La arquitectura propuesta por este estudio apuesta por el uso de ISRU para sintetizar metano de la nave de ascenso (u oxígeno del hielo, dependiendo de la propuesta) para abandonar la superficie de Marte. El uso de ISRU podría reducir la masa de la nave de ascenso en un 30%.
- Generación de electricidad. Una vez en Marte, se plantea el dilema del uso de energía nuclear o solar. En este punto el estudio es claro: la energía nuclear es la única opción realista y contempla el uso de reactores de fisión de 30 kW.
Con estas premisas, veamos como sería entonces una misión tripulada a Marte. De entrada serían necesarios siete lanzamientos del cohete gigante Ares V y uno del Ares I. Primero despegarían cuatro cohetes Ares V para mandar dos vehículos de carga no tripulados. La novedad es que el estudio contempla el uso de cohetes nucleares térmicos (NTR) con hidrógeno líquido para minimizar la duración del viaje gracias a su alto impulso específico (del orden de los 900 s). De los cuatro lanzamientos previstos en esta primera etapa, dos cohetes pondrían en órbita baja terrestre (LEO) un par de etapas NTR que se acoplarían automáticamente con el hábitat de superficie marciana (Surface Habitat, SHAB) y la nave de ascenso (Descent/Ascent Vehicle, DAV) respectivamente. Las dos naves -de 238,1 toneladas cada una- partirían entonces hacia Marte. Obviamente primero se efectuarían dos lanzamientos para enviar el hábitat y luego otros dos para la nave de ascenso. Una de las principales características de la configuración del hábitat y la nave de ascenso es que estarían cubiertos por una gigantesca cofia de 10×30 m dotada de un escudo térmico para efectuar la aerocaptura alrededor de Marte denominada Dual Use Shroud, de unas 40 t. Tras 6-9 meses de viaje, el hábitat SHAB realizaría una maniobra de aerocaptura para permanecer en órbita baja marciana. Por su parte, la nave DAV descendería a la superficie del planeta tras la aerocaptura. Una vez allí empleará tecnologías ISRU para sintetizar metano a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana. El hábitat deberá tener una masa de 64,2 toneladas, de las cuales 40 t serían carga útil que podría ser usada por la tripulación. Tendría capacidad para mantener con vida a seis personas durante 550 días y deberá transportar además a la tripulación desde la órbita baja marciana hasta la superficie. La nave de ascenso tendría una masa de 63,7 t y sería la encargada de devolver los astronautas a la órbita baja marciana al finalizar su misión en la superficie.
Modificaciones al Ares V para su uso como lanzador marciano (NASA).
Configuración de vuelo del vehículo de carga con la etapa NTR y la cofia para aerocaptura (izquierda). Detalle del Hábitat de Superficie (SHAB) (derecha) (NASA).
Configuración de vuelo del vehículo de carga con la etapa NTR y la cofia para aerocaptura (izquierda). Detalle del vehículo de ascenso (DAV) (derecha) (NASA).
Justo cuando las naves de carga lleguen al planeta rojo, comenzarán los tres lanzamientos del Ares V necesarios para ensamblar en LEO la nave tripulada, denominada ( Mars Transit Vehicle, MTV), de 283,4 toneladas. Ésta consistirá en una etapa NTR, otra etapa desechable con tanques de combustible y el módulo de la tripulación (Transit Habitat). Los tres elementos se acoplarán automáticamente a la espera de los astronautas, que partirán a bordo de una nave Orión (Orion Crew Transfer, OCT) lanzada por un Ares I. El estudio deja abierta la posibilidad de que la MTV reciba la visita de una tripulación «preparatoria» antes de la llegada de la tripulación principal. La nave tripulada partiría 26 meses después de los lanzamientos de carga. El Transit Habitat, de 41,3 toneladas, podrá mantener a seis personas durante los 400 días de viaje, así como 550 días adicionales en órbita marciana en caso de que la tripulación no pueda descender a la superficie. En un extremo del Transit Habitat estará acoplada una cápsula Orión modificada (Orion Mars Block) para el regreso de los astronautas a la Tierra tras finalizar su misión.
La nave tripulada MTV (NASA).
Las naves Orión usadas en la misión (NASA).
Una vez en camino hacia Marte, la nave tripulada expulsará los tanques de combustible usados después del encendido trans-marciano. Al llegar a Marte tras 180 días de viaje la MTV se insertaría en órbita mediante el encendido de la etapa NTR. La tripulación subiría entonces a la Orión y se acoplaría con el Surface Habitat que estaría esperando a los astronautas. Tras aterrizar con esta nave cerca del Descent/Ascent Vehicle, la tripulación permanecería 550 días en la superficie explorando el planeta. Al finalizar, se montarían el el DAV y partirían hacia la órbita marciana. Allí se acoplarían de nuevo con la MTV y pondrían rumbo hacia la Tierra mediante un encendido adicional de la etapa NTR. Al llegar a nuestro planeta -tras otros 180 días de misión- se montarían en la cápsula Orión y reentrarían en la atmósfera terrestre directamente.
Esquema de una misión a Marte (NASA).
Cronología de los lanzamientos (NASA).
La principal novedad de esta propuesta radica en el empleo de dos vehículos distintos para descender a la superficie marciana y regresar a la órbita. La mayoría de esquemas anteriores contemplan el uso de una misma nave para estas dos funciones. La ventaja de esta novedad es que la nave de ascenso puede empezar a producir combustible mediante ISRU antes de la llegada de la tripulación.
Ni que decir tiene, se trata de un plan altamente ambicioso, pero realista. En esta arquitectura la NASA apuesta decididamente por el uso de la energía nuclear para las etapas NTR de inyección marciana y para generar electricidad en la superficie, lo que constituye un cambio de política para la agencia espacial norteamericana. El punto débil de la misión es fácilmente identificable: el elevado número de lanzamientos del Ares V. Que se necesiten siete lanzamientos del cohete más potente de la historia para llevar a cabo una misión tripulada a Marte es altamente inviable, especialmente si tenemos en cuenta que durante todo el programa Apolo se llevaron a cabo doce lanzamientos del Satuno V (trece si contamos al Skylab), un cohete más pequeño que el Ares V. Un sólo fallo en los lanzamientos o durante los acoplamientos automáticos echaría por tierra la misión. Este número de lanzamientos resulta además especialmente elevado si tenemos en cuenta que ya existen propuestas más antiguas que contemplan el uso de cuatro Ares V solamente. Al estar los lanzamientos del Ares V separados por periodos mayores a 30 días se elimina la necesidad de construir una segunda rampa para este cohete -en la actualidad la NASA contempla usar el Ares V solamente desde la rampa 39A del Centro Espacial Kennedy-, pero habría que construir instalaciones adicionales para el ensamblaje de los SRB, una nueva zona de integración del Ares V en el VAB, así como dos nuevas plataformas móviles. Además sería necesaria la construcción de instalaciones para el procesado de las etapas NTR.
Otro punto débil es el uso de cofias como escudos de aerocaptura para las naves de carga, ya que estos escudos sufrirían una exposición al espacio durante medio año, con el consiguiente riesgo de que sufran desperfectos y las naves se pierdan durante la maniobra de aerocaptura.
Pero el principal inconveniente es en mi opinión el elevado número de tripulantes. No veo necesidad alguna en mandar seis personas a Marte, especialmente teniendo en cuenta que hasta la fecha todas las tripulaciones permanentes en las estaciones espaciales han estado compuestas por un máximo de tres miembros. Reducir el número de astronautas a cuatro, o incluso tres, permitiría disminuir los requisitos de masa para la misión de forma dramática, así como aumentar los márgenes de seguridad. Es una pena que el estudio no haya considerado esta opción.
En todo caso es una propuesta interesante que no está ni mucho menos cerrada y que sin duda evolucionará en los próximos años.
Comparativa entre los tiempos de viaje de una misión marciana y otros viajes históricos (???) (NASA).
He encontrado tu blog a través de Menéame.net y no quería dejar pasar la oportunidad de felicitarte por el excelente artículo. Me apunto tu dirección para ir leyendo más. Un saludo.
Daniel: es realmente sorprendente que se considere el uso de los NTR para el viaje a Marte. El proyecto NERVA quedó en sólo eso; un estudio de desarrollo, o me equivoco?.
Supongo que será necesario avanzar mas en dominar una tecnología, que por cuestiones políticas nunca se utilizó o se detuvieron sus estudios por esas causas. Si la NASA tuvo que revolver en sus cacharros viejos para conseguir un escudo térmico…es de imaginar lo que pueda suceder con los NERVA.
Por otro lado, lo polémico de los NTR no es sólo el problema de que sean nuclares, el otro tema que hace a la seguridad es su combustible: el poco denso hidrógeno, que requiere cantidades industriales para su uso en una misión a Marte: ¿ cómo debe ser poner en órbita una cantidad tan importante de LH2?.-
Saludos…me ahorro los comentarios positivos hacia el blog.-
Veo más realista la otra propuesta de 4 lanzamientos y tres personas de tripulación. Entre otras cosas porque es conservadora y apuesta sólo por tecnologías conocidas o al menos asequibles ates del 2030. Esta es más cara y arriesgada.
De todas formas, cada vez que leo algo sobre los proyectos relacionados con Marte, me doy cuenta de que es prácticamente imposible que se lleven a cabo antes del 2030. Coste elevado, tiempo de vuelo muy largo (¿qué pasa si se pone enfermo un tripulante a medio viaje, por ejemplo? No hay mucha experiencia en una misión tripulada tan larga en la que no hay posibilidad de bajar a la Tierra en pocas horas si pasa algo), tecnologías poco probadas,… ¡Si es que hasta los mismos lanzadores son aún un proyecto!
Sin disponer de más experiencia en estos temas, parece difícil. Primero sería conveniente que una nave automática (con una masa parecida a la que usarán los astronautas) demostrase que es posible ir allá, aterrizar, despegar y volver; y al ritmo al que vamos (cuesta incluso que avancen misiones como el MSL), pues…
Iván: muchas gracias por tu comentario. Bienvenido y un saludo.
Grabiel: pues creo que has dado en el clavo con el tema del hidrógeno. De todas formas «se supone» que la NASA debe desarrollar en la próxima década la tecnología necesaria para mantener en el espacio combustibles criogénicos durante largas temporadas de tiempo de cara a las misiones lunares, así que supongo que los autores del estudio piensan que cuando vayamos a Marte (¿2030?) esta tecnología estará más avanzada. Quizás es mucho suponer. Aún así, el almacenamiento a largo plazo de LH2 sólo sería necesario en la nave tripulada, pues las naves de carga usarían las NTR solamente para abandonar la gravedad terrestre.
El uso de NTRs requiere el desarrollo de una tecnología muy costosa, aunque es cierto que sin ella Marte queda más lejos. Hay una diferencia entre los prototipos NERVA y los motores que aparecen en esta propuesta, y es que los NERVA habían sido diseñados teniendo en mente su uso en cohetes que despegasen desde tierra, algo obviamente más peligroso desde el punto de vista de la seguridad. Además, al ser usados en el espacio, los motores de las etapas NTR no necesitarían tanto empuje como los NERVA, simplificando su diseño (y minimizando los costes).
De todas formas, dado que esta propuesta sigue requiriendo el empleo de SIETE cohetes Ares V no veo yo muy claras las ventajas del uso de las etapas NTR, al menos en las naves de carga.
Monsieur: tienes toda la razón. Esta propuesta es cara y compleja, pero es normal si tenemos en cuenta que es de la NASA («think big»). En cuanto a si un miembro se pone enfermo de forma grave, hay una opción: rezar.
¡Saludos!
Si mal no me acuerdo, cuando apareció la VSE, una de las justificaciones para crear bases permanentes en la Luna era que las misiones tripuladas a Marte serían lanzadas desde allá. Ni hace falta explicar por qué no es una buena idea, pero parece que ya nadie más piensa en ella. Ahora, la colonización de la Luna y la exploración de Martes son dos proyectos completamente distintos, excepto por el uso de algunos hardwares comúnes (básicamente, cohetes lanzadores).
¿Y qué hay del motor de plasma que está desarrollando Franklin Chang y que se probará en la ISS en 2011?
Según tengo entendido ese motor tambien tedría un impulso específico tremendo, como los motores iónicos, con la diferencia que puede ser mucho más potente.
Un saludo!
Carlo: sí, es verdad. Cuando apareció la VSE la NASA se empeñó en hacernos creer que la Luna sería un paso necesario para ir a Marte, una tontería desde el punto de vista energético. Es significativo que la NASA ya no hable más de esa propuesta.
FoxMulder: mi opinión sobre el VASIMR es que aún le queda mucho para ser útil en una misión tripulada, pero no sabría decirte si sería tan revlucioanrio como parece. El problema es que este motor iónico requiere mucha potencia eléctrica (reactores nucleares más grandes), obviamente mayor cuanto más grande sea la masa de la nave. Aún así, se trata de un proyecto muy prometedor. Esperemos que fructifique en algo y no se quede en una bonita idea más.
Saludos.
Lo que no acabo de entender es porque deberia ser una misión tipo conjunción.
Se puede explorar Marte mediante sondas, ademas la expedición estudiaria un territorio muy limitado.
Menos tripulacion, menos dias, menos equipaje, mas probabilidades de ir mas pronto y mas veces.
En estos casos creo que se debe ir allí sobretodo para sacar la foto.
Saludos,
monsieur le six: comentas que «No hay mucha experiencia en una misión tripulada tan larga». En realidad esto no es un problema. Está demostrado que el hombre puede permanecer en el espacio durante largos períodos de tiempo (mucho más de lo que duraría el viaje a Marte). Por otra parte, el contraer una enfermedad grave (no hablamos de un resfriado) es un riesgo que hay que asumir. La exploración humana es muy muy arriesgada, siempre lo ha sido. No pretendamos enviar humanos a Marte con jakuzzi. Ni a Magallanes, ni a Colón, ni a tantos otros les hizo falta. ¿A caso es más arriesgado ir dentro de unos años a Marte que hace 500 a América?
Joan Ayats: dices que «Se puede explorar Marte mediante sondas, ademas la expedición estudiaria un territorio muy limitado.» Hay que tener en cuenta dos cosas muy importantes, la cantidad de información retornada y el tiempo. Esto lo resumo en una frase que escribí en mi último artículo: «…la realidad es que la mayor parte de toda la ingente cantidad de datos científicos que se conseguirá mediante estas y otras misiones robóticas en los próximos 10 o 15 años y, sobre todo, las conclusiones más importantes que se obtengan gracias a ellas, podrían conseguirse en sólo unos días, a lo sumo semanas, mediante una misión tripulada». Por último, si, como dices, hacemos el viaje «sobretodo para sacar la foto» estaremos tirando el dinero, pues se cometería el mismo error que con Apolo.
Saludos.
Juan Antonio, es cierto que Colón y Magallanes tampoco estaban cerca de un puerto seguro y que una misión pionera como esta siempre será arriesgada; pero Colón y Magallanes iban en una flotilla de barcos con varias docenas de hombres (algunos de ellos médicos, imagino) y se movían en un entorno menos hostil. La situación de esta nave es comparable (y yo creo que aún más arriesgada) a lo que hubiera ocurrido si Colón, en lugar de irse con las carabelas, hubiera zarpado en un bote con dos personas más.
Si se realiza una misión de tres tripulantes, por ejemplo, el problema no será sólo la capacidad física de un cuerpo humano de permanecer en el espacio, sino también la presión psicológica (son casi tres años para tres personas solas ahí fuera, en un entorno del tamaño de un piso) y la imposibilidad de responder ante ciertas eventualidades. No es sólo que alguien se ponga enfermo: ¿Qué pasa si casca un motor? ¿Qué ocurre si falla algún sistema necesario en el módulo de despegue una vez están en Marte? Por lo menos a Colón y a Magallanes no se les podía acabar el oxígeno y, a las malas, siempre podían ponerse a pescar si tenían poca comida. Esto es mucho más arriesgado.
Estoy totalmente de acuerdo con Ayats, no encuentro ningún tipo de sentido estar en las primeras misiones tripuladas a Marte 500 días sobre la superfície ¿haciendo qué? ¿algo que no puede hacerse en 30? En lo que será la misión más cara de la historia presumiblemente lo que se tiene que ir es con unos objetivos claros marcados y una hoja de ruta concisa: Queremos rocas, queremos excavar un poco, hacernos unas fotos, etc. Tiempo más que suficiente en un mes, máxime cuando se pretende viajar con seis tripulantes.
PD: Ha quedado claro que ni los cohetes NTR provocan un milagro en la reducción de tiempos, recomendaría a la agencia una inversión profunda en propulsión iónica (léase VASIMIR, léase lo que sea) aunque haya que recortar en misiones robóticas de esas que dan ciencia de la buena.
Saludos.
monsieur le six: Vivo a poco más de 10 km de donde zarpó Colón. He tenido la suerte de estar en réplicas a escala de las 3 carabelas y lo primero que piensas cuando las ves es “estaban locos” (la Niña es poco más que un bote). En cualquier caso, y esto no lo digo yo, el viaje a Marte no es más arriesgado que el viaje de Colón. Carl Sagan escribió en Cosmos que «Colón hizo trampa en sus cálculos [copiados de Eratóstenes] … Y utilizó la menor circunferencia posible de la Tierra [todo para que sus cálculos cuadraran, entre otras cosas para convencer de que su viaje era posible] … De no haber estado las Américas en medio del camino, las expediciones de Colón habrían fracasado rotundamente.» Espero que la NASA no haga lo mismo con sus cálculos del viaje a Marte 😉
Como dices, si falla un motor o un sistema vital, la misión fracasará y la tripulación podría morir. O es un riesgo que corremos o nos quedamos en casa. Habrá que minimizar este riego todo lo posible y la previa colonización de la Luna nos ayudaría sin duda.
Respondiendo a Ango y a Ayats sobre para qué una misión de 500 días (en realidad, unos 550): Es normal que la NASA elija una misión de conjunción, y no sólo por los días, el tiempo global del viaje es menor, no se necesita un sobrevuelo de Venus, el tiempo en 0g es casi la mitad, los costes y riesgos de la misión más bajos y los logros más altos.
Por cierto, Daniel, me ha encantado esta entrada. Y siento la extensión de mi comentario. Saludos.
Se me olvidó decir antes, no entiendo por qué si se trata de una misión de un mes sobre la superfície, es obligatoria una asistencia gravitatoria con Venus y de otro modo no.
Saludos.
Ango: Es complicado de explicar aquí. Es cuestión de oportunidades (ventanas). Sólo en la misión de tipo oposición, si se quiere utilizar una ventana de partida a corto plazo, a la vuelta se envía la nave a Venus. Y allí realiza una asistencia gravitatoria que la manda a la Tierra.
De modo que los NTR ya utilizados se utilizan para regresar a la tierra, si lo entendí bien. ¿Y que se hace con ellos? No se pueden dejar en órbita por que tarde o temprano van a reentrar (esparciendo los residuos radiactivos en la atmósfera), y una reentrada controlada parece una gran complicación.
No, no, frikosal. Los NTR de las naves de carga sirven para la inyección transmarciana y acaban en órbita solar. Los NTR de la nave tripulada no impactarían con la Tierra a regreso y también quedarían en órbita solar. Saludos.
Si pero si se realiza un encendido NTR en Marte para regresar, entonces no basta con desacoplar el motor para dejarlo en órbita solar, el motor debe reducir su velocidad con otro encendido para quedar en una órbita solar, de lo contrario llegaría detrás de la cápsula a la tierra ¿no?
Y además, a la llegada a la tierra, ¿no será necesario otro encendido para entrar en órbita? ¿con que motor se haría si el NTR ya no está?
Pues no exactamente. Al realizar el encendido hacia la Tierra y separarse, la etapa NTR quedaría en órbita solar, una órbita elíptica, pero solar al fin y al cabo. Por otro lado, la tripulación no necesita entrar en órbita terrestre, sino que reentraría en la atmósfera de la Tierra de forma directa en la cápsula Orión. Un saludo.
Tarzán (yo) no comprender.
Si se desacoplan dos módulos en el espacio, ¿no continúan muy juntos uno al lado del otro hasta que uno de los dos recibe otro impulso?
¿Es posible entrar directamente en la atmósfera, sobre el mar, en un punto adecuado, a partir de un encendido realizado en Marte sin pasar una órbita en la tierra? ¿No debe haber un frenado y una inserción en órbita antes?
Frikosal lo que dices es correcto: si se separan en Marte y no existe perturbación alguna, llegan al mismo instante a la Tierra (despreciando el impulso de la separación que imagino será con pernos explosivos). Lo que imagino que pasará, es que la Orión utilizará sus motores de maniobra para variar su posición cuando está muy cerca de la Tierra y así poder reentrar. Es decir, con el impulso de los NTR recorre la mayoría del paseo para luego usar sus propios impulsores ligeramente y volver a casa. Sin embargo, la etapa NTR sigue su viaje elíptico y sabe dios dónde acaba. Eso es lo que entiendo…
Por otro lado, agradecería efusivamente si Juan Antonio pudiese explicar el por qué se necesita una asistencia gravitatoria con Venus en una misión de un mes y no en la de 500. A priori, la intuición nos dice que en la misión de menor duración se necesita menos carga de pago y por tanto no se necesitaría realizar y flyby por Venus, a diferencia de una misión con mayor masa.
Saludos.