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.
Que tal si la fuente de energia para la nave (reactor nuclear con radiadores o unos gigantescos paneles solares) se dejara sobre la tierra o en un punto de Lagrange para irradiarla a la nave por medio de microndas.
Tambien me he preguntado, ¿que es mas eficinete?, quemar oxigeno e hidrogeno en un motor de cohete o usarlos en una celda de combustible para generar electricidad y hacer funcionar un motor ionico. En la segunda opcion hay que agregar peso adicional, pero talves compense o supere la baja eficiencia de los motores a reaccion.
Otra opción es pensar de manera diferente. En lugar de que el cohete lleve combustible, suministrárselo desde la tierra vía laser o microondas.
Ya hay prototipos funcionales de naves impulsados mediante laser con base en tierra. El más ingenioso que he visto es uno que se concentra en el aire que hay en la base de la nave, lo calienta hasta que explota literalmente y esa pequeña explosión repetida múltiples veces hace que la nave se eleve.
¡Muchas gracias a todos/as por los comentarios!
Un par de apuntes:
1- El ascensor espacial permitiría colonizar fácilmente el Sistema Solar, pero hoy por hoy es un concepto que está muy verde, incluso con la tecnología de nanotubos y grafeno. Quizás en 20 ó 50 años la cosa cambie.
2- Los sistemas SSTO como Skylon permitirían abaratar el acceso a LEO, pero no disminuirían los requisitos de masa para una misión a Marte. En todo caso, Skylon tiene muy poca capacidad de carga en LEO.
@DarkSapiens: jeje, la entrada la tenía escrita desde hacía días, pero es cierto que el comentario de @DaniEPAP me animó a publicarla (Gracias, Dani).
@Sergio: cuando digo que en LEO hemos recorrido el 73% en términos energéticos me refiero obviamente al 73% de la Delta-V de la velocidad de escape terrestre, que es una medida relacionada con la energía necesaria para viajar por el Sistema Solar. Estrictamente hablando, y como pongo en la nota al final del post, es cierto que la Delta-V no es una magnitud que se mida en unidades de energía. En todo caso, no es tan simple como calcular la energía cinética, ya que hay que tener en cuenta la energía potencial, entre otros factores (como por ejemplo, la velocidad hiperbólica elegida).
Saludos.
Me has matao Daniel, 🙁 La masa de 12 estaciones espaciales nada menos. No hay nada que hacer en unos cuantos «añitos».
Yo propondría que primero se hicieran viajes a la órbita de Marte para ver que tal se adaptan los humanos a un viaje tan largo. Y luego quizás, cuando hayamos avanzado más, se puede construir una estación espacial en la órbita de Marte y por último descender al planeta.
Divide y vencerás que se dice. Porque querer ir diréctamente a pisar Marte está muy difícil y es economicamente(o políticamente) inviable.
nnnnnnnnnnnn
ojito con el grafico de xkcd.com porque es una tira cómica pseudo científica y sus datos son distorsionados por diversión .
No iremos a Marte hasta que no tengamos propulsión iónica decente y el secreto está en producir electicidad abundante (Mw) con poco peso, cosa que no llegará antes de 30 años siendo optimistas… mejor volver a la Luna y Marte con sondas.
hola felicitaciones,no comprendo la ciencias jamas las estudie pero estoy seguro los viajes a otras dimensiones debieron comenzar por el principio, y no fue asi; el mundo cientifico debera reconocer al final que esos no eran los medios y que las distancias estaban mas cerca de lo que se suponia.
presento mis disculpas en a quienes observaron mi comentario anterior, no trato de hacer algun desafio a lo cientifico solo actuo por una reflexion humana y hago la comparacion por que en lo leido, se comenta el inconveniente del combustible y la distancia y se que el ser humano puede llegar muy lejos pero no en naves y que ademas cada vez son mas imposibles.
Viajar a un planeta potencialmente muerto no me proporciona ningún aliciente. Si el fin es la investigación sobre posible existencia de vida orgánica (anterior o actual), la exploración puede seguir realizándose mediante la utilización de sondas, cada vez más evolucionadas. Si lo que se pretende es constituir un asentamiento permanenente, con presencia humana, no entiendo porqué tenemos que someternos a los rigores de un ambiente hostil cuando en la Tierra tenemos loa opción más fácil de preservar lo que ya disfrutamos.
El aliciente puede ser seguir incentivando el afán de la exploración espacial, digamos que Marte es solo una estación más en ese largo camino que tendría como fin ir cada vez más lejos y en mejores condiciones. Los retos siempre son positivos porque se puede aprender de ellos, una asentamiento en Marte estaría lleno de retos de los que aprender y evolucionar. No creo que cuando realmente tengamos la posibilidad de ir a otros sistemas (si es que algún día lo tenemos) nuestro afán sea el de colonizar mundos con vida, creo que para entonces ya deberíamos haber evolucionado espiritualmente y tendremos otras inquietudes más puras. Por otra parte los mundos sin vida pueden ser una fantástica fuente de explotación de recursos…y eso que le quitamos a nuestro planeta madre de encima.
Excelente!!!
Hola aamigo Daniel felicitaciones estoy en Caracas Venezuela y desde aqui le digo que es posible que en algun momento se cristalicen esas exposiciones lo que hoy es idea mañana puede ser realidad, siga adelante hermano, eso de propulsion ionica, orbita espacial,masa de doce estaciones espaciales,ascensor espacial, motor ionico, propulsiones, aceleraciones etcetera AMASAN LA MASA,lo veremos, suerte
si muy bueno espero que pronto tengamos noticias de este nuevo reto suerte a todos
Exeletne post como todos los demas de este blog. Sin duda para abandonar la tierra, tendremos que disponer de sistemas de propulsion mas eficientes y dejar de lado el metodo de fuerza bruta que utilizamos hoy (reacción química elcombustible y el oxidante). VASIMR parece una buena y prometedora alternativa. Comparto mi opinion en que la astronautica crecio un 90% en la decada del 60 y un 10% desde aquellos tiempos a la actualidad, esperemos que pronto podramos dar otro salto tecnologico que nos abra las puertas al menos a nuestro sistema solar.
Enhorabuena por este excelente post. Tan completo y tan bien enlazado con otras fuentes que poco más se puede aportar.
Estoy de acuerdo con Miguel: Primero Phobos. Allí montar una estación espacial minera que produzca, a partir de los minerales de Phobos, combustible, oxígeno, agua y alimentos. (Las condritas tipo C tienen elementos interesantísimos). Desde allí, misiones a Marte.
http://es.wikipedia.org/wiki/Condrita#Condritas_carbon.C3.A1ceas
No entiendo en absoluto la obsesion por Marte. Se me antoja tremendamente prematuro proyectar una mision tripulada hacia allá.
Convendria mucho mas centrarnos en la colonizacion de la Luna y aprender allá un monton de asuntos antes de intentarlo con Marte, ya que aun en el supuesto de que en allá existiera mucha mayor variedad y cantidad de hipoteticos recursos se necesita experiencia y tecnologias que solo pueden desarrollarse en «in media res», o sea en la practica.
Para practicar y aprender un monton de cosas tenemos la Luna.
La propulsion mediante cualquier clase de coheteria es poco eficiente, salvo quizas si dispusieramos de recursos ilimitados y a falta de encontrar algo como la antigravedad el ascensor espacial es la unica opcion asquible para ascender e incluso descender por el pozo gravitacional y la unica manera economica y practica de adquirir una aceleracion suficiente, en trayectoria casi directa hacia cualquier planeta del sistema solar, asi como un frenado seguro y recuperable, es el recurso a la honda espacial.
Correccion: Por que es tan dificil viajar a marte «con el presupuesto actual»
http://amazings.es/2011/04/28/cuestion-de-prioridades-la-infografia/
@Mr President: ¿Has visto quién hizo la primera gráfica que aparece en el artículo que enlazas? 😉
Saludos.
Lei que una mision tripulada a Marte, ida y vuelta, costaria 300.000 millones de euros. Y a eso se le sumaria el alto riesgo de que fracase. Es la mitad del deficit actual de Estados Unidos, es una locura dilapidar esa cifra para que 3 o 4 locos viajen hasta alla.
Solo mejorando y economizando el lanzamiento y con un sistema de propulsion mas avanzado, se podria intentar algo. Pero hoy solo es posible soñar, y eso es maravilloso.
Excelente post.
Saludos desde Argentina.
Amigos, si vamos a hacer de ‘okupas’ en Marte, tengamos en cuenta que:
«Los marcianos saben que tarde o temprano los terrestres se posarán en Marte y por ello están preparándose para emigrar a otro planeta (esta emigración es algo común en el Cosmos, especialmente cuando existen «vecinos indeseables»)»
http://www.grupoelron.org
Me cuesta mucho hacer e cuaciones y mas aun entender las mas complejas. Lo siento, no es lo mio. Pero otra cosa es la comprensión de los problemas que se muestran en el articulo y los comentarios. Mi opinión está versada en el empleo de soluciones como las que aparecen en la web de «Space Islands» y a partir del empleo de alguna de sus plataformas construir la astronave mas idonea para viajar a Marte. Uno de los inconvenientes mas señalados es el empleo de los motores adecuados. Si el punto de partida de una astronave, sencilla pero eficiente, fuese un lugar de la orbita LEO de la Tierra, se habría ganado una posición importante para plantear el viaje a Marte. El coste de enviar a la orbita varios cohetes con las estructuras elementales sería parecido, pero desde la orbita se podrían armar los componentes de la futura astronave marciana, con espectativas de utilizarla tantas veces pueda ser preciso. En cuanto a los tipos de motores me inclino por los de tipo Ionico, que multiplican la velocidad de los actuales de propergol. Considero importante que la astronave que viaje a Marte y regrese a la orbita terrestre tenga un habitáculo dotado de gravedad. Para eso se necesitaría un tambor de un diámetro bastante amplio. (ver web Bigelow.space.com) Ideas tengo estas y algunas mas elaboradas o complejas. Solo tengo una duda que compartirán muchos conmigo ¿quien apostaría e invertiría en esto? Tenemos las ideas, falta el capital, como siempre…