Un viaje tripulado a Marte es el objetivo prioritario de la exploración espacial de este siglo. Desgraciadamente, existe un cuello de botella fundamental a la hora de realizar una misión al planeta rojo: los sistemas de propulsión actuales.
La masa de una nave tripulada marciana propulsada por combustibles químicos superaría las dos mil toneladas en órbita baja (LEO), pero los lanzadores más potentes actualmente en servicio sólo son capaces de poner en órbita 25 toneladas. Incluso si construyéramos un cohete gigante mayor que el Saturno V o el Energía, las limitaciones tecnológicas actuales obligarían a seguir dependiendo de la propulsión química, por lo que resulta realmente difícil diseñar un lanzador que supere las doscientas toneladas de capacidad en LEO. Es decir, necesitaríamos como mínimo diez lanzamientos de un cohete gigante para poder mandar una misión tripulada a Marte.
Usar depósitos de combustible orbitales es una vieja idea (NASA).
Este elevado número de lanzamientos es económicamente muy difícil de justificar, por no hablar de la complejidad de una misión así. Está claro que debemos idear otros mecanismos para reducir la masa de una nave interplanetaria. Cambiar el sistema de propulsión del vehículo es una opción, pero desgraciadamente nos encontramos con las mismas limitaciones tecnológicas y políticas que en el caso de los lanzadores. Otras alternativas pasan por dividir la nave marciana en varias unidades, utilizar los recursos locales del planeta rojo para generar agua y/o combustible (ISRU) o usar métodos de aerocaptura.
Todas estas opciones se han tenido en cuenta anteriormente en el diseño de muchas misiones, pero recientemente han cobrado fuerza varias propuestas de viajes interplanetarios que no requieren el uso de grandes cohetes. Este tipo de arquitectura espacial se basa en el uso de depósitos orbitales de combustible y ya fue presentada en 2009 por la empresa ULA (United Launch Alliance), encargada de los cohetes Delta IV y Atlas V, como alternativa al desaparecido Programa Constelación de la NASA.
La idea es muy simple. Primero, debemos tener en cuenta que la mayor parte de la masa de una nave espacial está formada por combustible que debe emplearse en las maniobras orbitales. La ecuación del cohete de Tsiolkovsky nos dice que un ligero aumento en la carga útil de una nave implica un incremento enorme en la masa total del vehículo, principalmente en forma de propergoles. Por lo tanto, si fuésemos capaces de reabastecernos de combustible en las distintas etapas de una misión, la masa inicial de una nave interplanetaria podría ser muchísimo menor.
La arquitectura de ULA se basa en el empleo de tanques de combustible (fuel depots) situados estratégicamente en distintos puntos del trayecto. Los depósitos tendrían que estar situados en el punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Luna, ya que la energía para alcanzar la velocidad de escape desde esta zona es mínima. Estos depósitos serían abastecidos mediante una red de tanques que partirían desde LEO. Los depósitos servirían para almacenar combustibles criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos), los propergoles químicos más eficientes (mayor impulso específico) que se usan en la actualidad.
Puntos de Lagrange del Sistema Tierra-Luna.
Maniobra para alcanzar el punto L2 desde LEO.
Uno de los mayores problemas que surgen con este sistema de tanques orbitales es la evaporación del hidrógeno líquido. Para evitar que este elemento pase a estado gaseoso, es necesario refrigerarlo a -253º C, lo que requiere el empleo de una tecnología muy compleja. Hay que tener en cuenta que ni siquiera en el caso de los lanzadores terrestres que emplean hidrógeno líquido se ha conseguido evitar las fugas por evaporación. Por ejemplo, el transbordador espacial almacena combustibles criogénicos en el tanque externo (ET), pero, pese a que éste está cubierto por un sistema aislante -la famosa espuma anaranjada-, el hidrógeno debe fluir constantemente hasta casi el mismo momento del lanzamiento para compensar las pérdidas por evaporación. Desarrollar tecnologías que permitan guardar hidrógeno líquido durante largos periodos de tiempo (tecnologías ZBO, Zero Boil-Off) es harto complejo.
En el caso de misiones interplanetarias, el sistema de depósitos en L2 permitiría además el uso de maniobras de asistencia gravitatoria con la Luna o la Tierra, lo que significaría reducir el combustible requerido para escapar del campo gravitatorio terrestre (efecto Oberth). Por ejemplo, en el caso de una misión a Marte, una nave podría aumentar su velocidad hasta 4,3 km/s usando esta arquitectura, pero sólo sería necesario combustible para un cambio de velocidad (Delta-V) de 1 km/s.
Un vehículo basado en la etapa superior Centaur sería capaz de trasladar una nave de siete toneladas hasta L2, donde llenaría sus depósitos para dirigirse posteriormente a Marte. Siete toneladas de carga útil son obviamente muy pocas para un programa tripulado, pero son más que suficientes para lanzar gigantescas sondas no tripuladas.
La red de tanques orbitales estaría basada en una nueva etapa superior criogénica derivada de la DSS (Delta Cryogenic Second Stage) del Delta IV y la Centaur del Atlas V. Esta etapa se denomina ACES (Advanced Common Evolved Stage) y viene en varias versiones según su masa: ACES41 y ACES73, con 41 y 73 toneladas de propergoles respectivamente. Las ACES pueden ir equipadas con uno, dos o cuatro motores RL10. A diferencia de las etapas criogénicas empleadas en los cohetes convencionales, ACES no tendría baterías, sistemas de actitud con hidrazina o helio para presurizar los tanques. El oxígeno y el hidrógeno líquido se usarían para generar la electricidad necesaria con pilas de combustible (también se usarían paneles solares), mientras que la presurización del sistema de propulsión se efectuaría gracias a los gases evaporados. Estas tecnologías, más fáciles de diseñar sobre el papel que hacerlas realidad, reciben el nombre de IVF (Integrated Vehicle Fluids). El uso de IVF permitiría ahorrar una tonelada de masa útil en la ACES41.
Etapa ACES (ULA).
Etapa ACES 41 (ULA).
Para poner en servicio la red de depósitos, primero serían necesarios cuatro lanzamientos. Dos cohetes Atlas V 554 pondrían en órbita dos tanques ACES73 parcialmente vacíos. Otros dos Atlas V 551 serían los encargados de lanzar dos etapas ACES41. A partir de estas etapas se crearían dos depósitos orbitales, uno en LEO y otro en L2, cada uno de ellos formado por una ACES73 con hidrógeno líquido y una ACES41 con oxígeno líquido. El conjunto recibirá el nombre de ACES121. Se utilizarían etapas ACES adicionales para cargar los depósitos con combustible según las necesidades.
Depósito orbital ACES121, la base del sistema de ULA (ULA).
Posteriormente despegaría una nave Orión modificada de 12 toneladas que emplearía una etapa ACES41 como módulo de servicio para ahorrar masa. Aprovechando los depósitos, la Orión tripulada podría realizar misiones con una Delta-V de 4,5 km/s, más que suficiente para insertarse en órbita lunar y regresar a la Tierra. Más interesante es el escenario en el que se hace uso de una versión modificada del Delta IV denominada Delta IV Heavy Lift Vehicle con capacidad para 36 toneladas en LEO. Con el Delta IV HLV, podríamos lanzar una Orión pesada de 20 toneladas con mayor cantidad de víveres y espacio para los astronautas. Con este vehículo, el sistema de depósitos permitiría alcanzar 6 km/s de Delta-V y sería posible visitar algún asteroide cercano (NEO). Si la Orión pesada cambia en L2 la etapa ACES41 por una ACES73, la Delta-V alcanzaría los 8,7 km/s. Usando esta energía disponible, se podría visitar casi cualquier NEO conocido.
Una Orión tripulada que emplea una ACES41 como módulo de servicio (ULA).
Distintos lanzamientos necesarios para una misión lunar (ULA).
Con el sistema de depósitos ACES sería posible realizar entre dos y cuatro misiones (tripuladas o no) al año, lo que requeriría nueve lanzamientos de cohetes Atlas V 552 -o similares- para poner un total de 200 toneladas en LEO. El coste estimado de estas operaciones sería de dos mil millones de dólares al año. Con el fin de llevar a cabo misiones de alunizaje, además de diseñar un módulo lunar, se debería incrementar la masa total en LEO a 300 toneladas anuales, lo que supone una cifra muy elevada de lanzamientos de cohetes convencionales (EELV).
Para desarrollar el sistema de tanques orbitales, ULA propone una serie de pasos intermedios. Primero se desarrollaría la pequeña etapa CRYOTE (Cryogenic Orbital Testbed) para probar las distintas tecnologías asociadas al ACES. Posteriormente se introduciría una serie de vuelos de prueba con etapas Centaur modificadas antes de construir una ACES operativa.
Etapas para el desarrollo del ACES (ULA).
CRYOTE y otros sistemas para probar las tecnologías de ACES (ULA).
En el futuro, la red de depósitos se podría emplear para misiones a Marte. Esto requeriría agrupar hasta seis depósitos que se usarían para poner rumbo a Marte las diversas naves de una expedición marciana, con una capacidad de 700 toneladas de combustible. Para conseguir esta masa, se podrían acoplar hasta seis ACES121.
Sistema de depósitos para una misión a Marte (ULA).
Por supuesto, este sistema no es la panacea. ULA se cuida muy mucho de mencionar que el mantenimiento de una red de depósitos de este tipo requiere un número elevadísimo de lanzamientos de EELV. Cierto es que si se empleara un lanzador con capacidad para 50 o 100 toneladas la cifra de despegues se reduciría de forma significativa, lo que supone un aliciente para el desarrollo del SD HLV por parte de la NASA. Otro inconveniente es que el sistema sólo es útil siempre y cuando exista una frecuencia relativamente alta de misiones, lo que resulta difícil en el caso de misiones a Marte.
La arquitectura de depósitos podría haber servido para apoyar el Camino Flexible propuesto por la Comisión Augustine el año pasado. Según esta versión del Programa Constelación, se habrían llevado a cabo durante la próxima década varias misiones de sobrevuelo de asteroides cercanos, la Luna y Marte por una fracción del coste total del programa lunar. Lamentablemente, la administración Obama canceló a principios de año el Programa Constelación y todas sus variantes, incluida el Camino Flexible.
Los depósitos orbitales en L2 no son nuevos. Se trata de un concepto que tuvo gran popularidad en los años 60 y 70, pero recientemente han resucitado con fuerza, seguramente ante la incapacidad por parte de las agencias espaciales para desarrollar un plan de exploración espacial robusto.
Sistema de depósitos orbitales de Boeing, parecido a la propuesta de ULA, pero usando el cohete Falcon 9 y con el objetivo de cargar de combustible los satélites en GEO (Boeing).
Por sí sola, la arquitectura de depósitos de combustible en L2 no supondrá ninguna revolución en la exploración espacial, pero, combinada con otros sistemas y tecnologías, es una pieza clave para la futura conquista del Sistema Solar.
Más información:
- Evolving to a depot-based space transportation architecture, Frank Zegler y Bernard Kuttler (AIAA 2010-8638, agosto 2010).
Que triste para la humanidad que halla personas que esten pensando en llegar a marte, para que?, teniendo tantos problemas que resolver en la tierra que vivimos, esos recursoa mal gastados en mi concepto beberian ser utizados en la construccion de escuelas, hospitales,alimentacion y un largo etcetera de problemas que noa aquejan actualmentecomo humanos
como reportaje excelente
Es una opinión muy común la de PEPELO (perfectamente valida), pero hay que recordar que en el mundo se gasta miles de millones de dolares por año en guerras y en la industria armamentista. Eso si que se puede considerar un gasto inútil que no aporta nada a la humanidad.
Que bueno sería una entrada que clarifique todos los avances que trajo en el día a día la exploración espacial.
Por otro lado, tampoco está muy fundamentado en la historia humana, que demuestra como en numerosas ocasiones las civilizaciones que se volcaron hacía dentro y rechazaron la exploración y expansión se volvieron decadentes o simplemente desaparecieron. Un ejemplo clásico es la China de la dinastía Ming, con Zheng He y la flota del tesoro (época en la cual China era la potencia mas rica y avanzada del mundo), con la cual podrían haberse convertido en una potencia de ultramar preponderante (pero ojo, no colonialista). En cambio, con la muerte de Zheng He, deciden hacer todo lo contrario y se aíslan, cancelando las expediciones navieras. El resultado, un imperio en decadencia que es consumido por sus problemas internos, y que termina delegando su poder a las futuras potencias occidentales.
Pero mira como es el destino, paradójicamente luego de casi 6 siglos, el poder nuevamente regresa lentamente a China gracias a la reforma y apertura que hizo Deng Xiaoping en los 80s. Creo que esto demuestra claramente como cerrarse y aislarse es lo peor que uno puede hacer esperando solucionar algo.
Demás estaría decir algo tan trivial, como que gracias a la exploración y expansión el hombre primitivo pudo salir de su tierra natal en África y colonizar el mundo.
Saludos!
P.D: Que seríamos sin los hombres con visión de largo plazo, lamentablemente los que toman las decisiones, es decir los políticos no lo son y se rigen en cuestiones cortoplacistas. O utilizan la demagogia, como lo que hace PEPELO, que mira la paja en el ojo ajeno en lugar de analizar y darse cuenta de los problemas estructurales que estamos sufriendo, en cambio realiza ese tipo de análisis superficial. Igualmente es simple, sólo hay que recordar que los recursos en La Tierra son finitos (como en su momento lo fue en África).
En respuesta a PEPELO, he de decir que hace unos meses escribí una entrada sobre el tema, que puede encontrarse aquí.
Me apena que ante cosas como la exploración espacial o el LHC haya tanta gente que considere que ese dinero debería invertirse en otras cosas, cuando precisamente es esta investigación básica y la gran cantidad de tecnologías desarrolladas lo que nos proporciona enormes beneficios… Por poner un par de ejemplos, muchísima gente que trabaja en el LHC está a la vez desarrollando formas de tratar y curar el cáncer, debido a que se hace con aceleradores de partículas, y además puede que la exploración de Marte nos haya salvado de la guerra nuclear al dar pie a las investigaciones sobre los efectos atmosféricos globales que conllevaría la misma.
Saludos.
Tojeiro. A mí se me había ocurrido algo parecido.
En vez de en forma de hielo, que implica que hay que suministrar mucha energía, se me ocurría que el tante de hidrógeno podría estar dentro de otro tanque con oxígeno a baja presión (y poca cantidad, por si acaso hubiera una gran fuga de hidrógeno), y las pequeñas fugas del tanque de hidrógeno acabarían convertidas en vapor de agua, que mediante un sistema de condensación en hidrólisis podría recuperar el hidrógeno y rebombearlo.
Dado que las fugas serían pequeñas, la necesidad energética también, por lo que unos depósitos en órbita con paneles deberían poder hacerlo sin problemas.
Me parece una idea demasiado obvia para que no se les haya ocurrido, así que seguro que lo han hecho y lo han rechazado por algo, aunque no se el que.
Pepelo, estoy en parte de acuerdo contigo. A dia de hoy no se justifica un viaje tripulado a Marte desde un punto de vista cientifico. Ahora bien, los problemas que hay en el mundo no se resuelven dando dinero, muy al contrario se resuelven quitando dinero.
Si se dejase de invertir enormes cantidades de dinero de todos en alimentar a los cietos de dictadores y asesinos y delincuentes que gobiernan a lo ancho del mundo, si no hubiese mas dinero de todos para engordar empresas y bancos y contubernios que explotan gente y recursos que no les pertenecen, si cortasen el grifo del dinero pulico a aquellos que inventan guerras y venden armas, el mundo seria muchisimo mejor y sin invertir un duro. De hecho todos ganariamos dinero que podria emplearse aparte de las cosas importantes que has mencionado, para explorar el espacio serimente.
El sistema actual de un bando jodiendo a millones de personas y otro bando ayudando a esas millones de personas y pagando ( normalmente sin ser muy conscientes) a los que joden, tal vez puede mejorar un poco, temporalmente y a corto plazo la vida de algunas personas, pero evidentemente es un disparate.
No quiero crear polemica, y menos en este fantastico blog, pero es lo que pienso.
«A los pobres no le des pescado, enséñales a pescar»
Eso es lo que hace la ciencia y la tecnología en general, y la exploración espacial en particular como una de sus aristas.
Muy interesante el artículo, me ha hecho ver que los depósitos son algo más que ciencia ficción, y que con la tecnología actual ya son factibles.
Serían una opción interesante a seguir si la NASA y los EEUU se deciden YA a tomar un camino. Podrían facilitar poquito a poco el acceso a un asteroide cercano, a la Luna o a Marte.
Podría ser una linea de desarrollo que tuviese una continuación más tarde en los motores nucleares de aceleración de iones basados en VASIMR. Aunque muy largo, sería un camino coherente para ir más allá de LEO.
Coincido contigo, creo que es una idea madura y con muchas posibilidades. Esperemos que algún día sirva para algo.
Saludos.
Muy buen artículo. Felicidades.
Todavía está lejos el día en que la navegación espacial sea una realidad. Por el momento, es algo “científico”, en manos de aventureros. No existe una motivación para ello, más allá de nuestra sed de conocimientos.
Construir una nave espacial en la tierra es como construir un portaviones en Madrid y llevarlo a Valencia por carretera una vez construido. Una idiotez. Los barcos se fabrican en astilleros que están al lado del mar, y las naves espaciales deben construirse en el espacio. Lo más que podemos hacer aquí es un “cohetito” y no una nave hecha para navegar por el espacio. Si tuviera que posarse en la tierra, quedaría destruida por la propia gravedad terrestre, por el escudo térmico necesario para cruzar la ionosfera, o peor aún, destruiría al ser humano en un cataclismo como el de los dinosaurios. Pero no ha de pensarse para eso, sino para navegar por el espacio. Como un barco enorme, que fuera del océano no hay dios que lo mueva, pero en el espacio es grácil y veloz. El transporte hasta la nave sería otro tema, que habría de hacerse mediante transbordadores.
Por supuesto, esto no es un cohete de usar y tirar, sino la joya de la ingeniería terrestre y el orgullo de sus naciones.
A la propuesta de Daniel de construir un punto de abastecimiento en Lagrange L2 yo añadiría la de crear una estación espacial en ese lugar y montar la nave con materiales procedentes tanto de la tierra como de la luna. Ello implica la creación de una industria siderúrgica lunar que aportará como resultado oxígeno liberado de los óxidos metálicos, parte del cual puede ser lanzado hasta L2 en cisternas de titanio construidas en la luna, ahorrándose gran cantidad de recursos terrestres y con un valor futuro añadido, ya que la luna es nuestro astillero espacial natural.
Una autentica nave espacial debe permitir a sus tripulantes viajar con comodidad por el espacio durante años. Por ello, no solo debe ser lo suficientemente grande como para albergar grandes depósitos de agua u otros elementos. También ha de incluir, talleres, laboratorios, invernaderos, acuarios y un puente de mando con fastuosos asientos reclinables. Claro que, para mover este trasto, se necesitaría un reactor nuclear. Lo cual es lo lógico y habitual en el espacio. Sobre nuestras cabezas, brillan millones de ellos. Aunque tampoco ha de desdeñarse la energía del sol como complemento.
Una nave semejante podría aprovisionarse de los materiales extraidos de cometas o asteroides y transformarlos en propelente, además de otros usos. En un viaje a marte podría atracar sobre Phobos, que es una dendrita carbonácea y como tal, contiene interesantes materiales volátiles, además de abundante hielo de agua. – Por cierto, que al indicar la posibilidad de encerrar el hidrógeno rodeándolo de oxígeno, Zanstel ha descrito perfectamente el funcionamiento de un gasómetro moderno de membranas de los de tipo esférico. Un gas encerrando a otro.
Todo esto cuesta muuuuuuucha pasta. Pero creo firmemente que es la mejor inversión que jamás haríamos. Especialmente cuando llegue el día en que un NEO grandecito nos tenga en el punto de mira.
¿Por qué montar toda esta movida en lugar de gastarlo en escuelas u hospitales?. Bueno. Contestando a Pepelo: Nuestra evolución como especie pasa por la realización de una serie de logros. Si en lugar de construir las pirámides los egipcios hubieran gastado los recursos en escuelas y hospitales, probablemente los esclavos hebreos hubieran vivido mejor pero las pirámides no existirían hoy en día. Una cosa no excluye a la otra.
¿Por qué fabricar una nave espacial?. Para ampliar nuestro conocimiento del cosmos, para comprender qué es la vida, quienes somos…. Pero, sobre todo, para cabrear a los romulanos.
Un cordial saludo
Sergei
Gracias por tu aporte, Sergei.
Saludos.