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.
Al planeta Marte no se va por causa de ningún problema físico, sino ético, aunque parezca extraño. ¿Nos han dicho la verdad los gobiernos acerca de los viajes espaciales y las evidencias que hallaron? Todo permanece en el más absoluto secreto. La Luna ya les dio pistas suficientes de lo que se encontraba «allá arriba»… y probablemente las sondas de Marte también les ha facilitado una información clasificada que hamás trascenderá a nosotros, el pueblo. La carrera espacial -incomprensiblemente- está detenida no por falta de competencia entre Naciones, sino porque continuarla supondría tener que revelar unos conocimientos que (a juicio de ellos) deben permanecer en la más absoluta opacidad. Mediten sobre este secretismo oficial.
Ciertamente esta entrada es apasionante por el simple hecho de que me ha dado ganas de implicarme en la búsqueda de una solución a estos dilemas 😛
Gracias Dani!
Muy buenas! primero te tengo que dar las gracias por este blog. Estoy haciendo un trabajo sobre Marte y este blog me ha dado alguna que otra idea. en segundo lugar me preguntaba si supieras decirme algo sobre los beneficios económicos de mandar un robot a Marte. Entiendo que lo mas importante serian los puestos de trabajo que se ofrecerían, y en cuanto a los materiales de Marte no merece la pena traerlos a Marte sino que los deberíamos aprovechar para la posibilidad de terraformar Marte. Alguna idea mas? Gracias. Un saludo.
@Cotilla: los beneficios economicos directos de la inversión en ciencia son difíciles de medir, pero no por ello no son importantes. Además de los puestos de trabajo, el principal beneficio es el desarrollo de nuevas tecnologías que luego pueden ser aplicadas a otros ámbitos cotidianos.
Saludos.
estoy tan encariñado con la tierra que prefiero morir aqui y seguir explotandola, contemplar como se extinge la vida de todos los seres vivos poco a poco. ¿para que trascender la ignorancia a otro planeta?¿tal ves morir en otro planeta sea placentero?
Tengo una edad que me permite soñar con ese viaje a Marte, aunque creo que serán mis hijos quienes puedan beneficiarse de ese evento. De todas maneras haré una descripción de como planteraía esta plural misión. Para empezar la ISS no podría servir como posible base de trabajo asociada a un astillero espacial. Se vería lastrada y podría necesitar empujes hacia orbitas mas elevadas de manera constante. Por lo tanto el primer paso es construir una estacíon nueva, rapida y lo mas barata posible, pues el siguiente paso estaría en manos de los especialistas en montajes de un gran mecano, la astronave que viajaría a Marte y sería la nave nodriza de otra mas pequeña que bajaría al planeta, probablemente con personal que podría realizar todas las labores encomendadas, exploración, muestras, quimica de suelo y atmosfera, etc. Una vez hecho ese trabajo deberían regresar a la astronave que les traería de nuevo a casa. Entre esto y aquello estamos habñando de uno o dos años entre viajes y estancia en Marte. La sintesis del viaje podría ser esa pero el detalle de recursos previos son de lo mas amplio. La estación que propongo orbitaría a unos 1000 km de altura sobre la Tierra y estaría formada por los modulos Biguelow mas grandes existentes. «Space Islands» tambien ofrece una serie de alternativas sobre ese tipo de estaciones en anillo, capaces de girar y generar gravedad artificial, muy impoortante para los que vayan a trabajar a ese complejo. En cuanto a la contrucción de la astronave para ir a Marte y regresar sería necesario hablar de algunos miles de toneladas, ¿4000? tal vez sea una buena referencia. El modo de envio de material a esa orbita de trabajo quedaría en manos de un sistema tipo «Stratolaunch», modificado para poder enviar del orden de 120 a 150 Tn en cada viaje. Estamos hablando de un avion portador de una carga-cohete cuya finalidad sería aprovisionar el complejo estación y astillero. La asistencia de robots para el montaje de esa nave es otro de los asuntos casi imprescindibles, pues no habría personal capaz de aguantar varias horas seguidas en el exterior, dia tras dia durante semanas o meses. Eso sería condenarles a sufrir las letales radiaciones cosmicas. Construir ese gran ingenio provisto de cohetes mucho mas potentes que los meramente quimicos lleva a pensar en la energia nuclear y/o los cohetes de plasma, capaces de alcanzar velocidades 5 veces superiores a las ahora conocidas. Eso permitiría no estar tan pendientes de las «ventanas» cada dos años. Los viajes tendrían una duración indeterminada segun la proximidad o lejanía de marte, pro siempre serían mas breves que los actuales. En resumen, no saldría barato. El protyecto habría que estudiarlo y desarrollarlo en nuestro suelo antes de llevarlo al espacio. Haría falta disponer de unos 40/50 despegues de el sistema aerospacial «Stratolaunch» con esas 120 TN mínimas en cada vuelo. El cohete lanzado llegaría casi integro a la zona de ensamblaje para ser empleadas sus estructuras y depositos en la construcción de esa astronave marciana. Evidentemente esa es una propuesta que intenta fomentar el debate sobre su posibilidad, algo que creo posible. Aunque todo lo anteriormente refrido se podría plantear de cara a un paso previo, mas barato, sencillo y rápido si antes nos ocupásemos de la luna, pues desde allí las posibilidades de la misión a Marte tendría otras garantías.
Bla, bla, bla…
¡Al fin se pudo ‘aterrizar’ en marte!
El ‘Curiosity’ llegó a Marte hoy 06 de agosto de 2012.
http://www.nasa.gov/externalflash/mars/curiosity_news3.html
imposible que el hombre pueda ir a marte, son millones de kilometros de distancia, hay que comer y demas por favor media tierra pasando calamidades y se gastan el dinero en estas cosas
yo soy de la idea, de en vez de una nave espacial gigantesca, hacer como Colon y enviar varias naves pero en colaboración con todas las agencias, desde la americana hasta la China. Naves con modulos q puedan aterrizar en marte que sirvan de laboratorios, granjas hidrofonicas, etc, etc y q sola una fracción de la tripulación regrese a la tierra para q la tripulación que quede sea la primera colonia de la tierra.
😉
Qué les cuesta experimentar enviando hombres a Marte? los preparan bien, les dan buen equipo y si lo consiguen, bien, si no, los nombran héroes nacionales, pensión a su familia y siguen intentando con otros hasta que se pueda, suena duro pero es necesario.
Qué les cuesta experimentar enviando hombres a otros planetas? los preparan bien, les dan un excelente equipo si lo consiguen bien!, si no los nombran héroes nacionales, pensión a sus familias y siguen intentando con otros, suena duro pero es necesario.
Necesario para qué? Porque yo no le veo utilidad a colonizar otros planetas. Es un gasto de dinero innecesario que se podría utilizar en solventar los problemas mundiales que tenemos aquí… ah, no! que es más fácil exportar nuestros problemas a otros planetas… me cachis!! no lo había pensado!!
Saludos! Muy buen artículo… Pienso q a todo lo q ha explicado el autor hay q añadir q para poner un hombre en marte hay q enviar primero los modulos habitable para pernoctar (enviado con las provisiones necesariad para su sobrevivencia ya q la distancia-tiempo hay q tomarla en cuenta)… Logrado esto entonces la otra parte d la misión sería el enviar la tripulación con las comodidades minimas requeridas… Por eso pienso q todavía tomará tiempo formar la logistica d esta misíón… Lo d la nave me imagino imitaran lo realizado con la ISS… Construirla en el espacio interno d La Tierra. Eso implica posiblemente más d una década… Me imagino q tal vez algunos d ustedes verán esta hazaña pero los q tienen 50 hacia arriba es posible q solo la verán con la imaginación.. Así q les deseo suerte a los q están organizando Misión Marte…
Samuel Claussell Rivera, Puerto Rico
Ya no se puede usar combustible, ya es tecnología muy obsoleta, ellos van a usar como energía nuclear para llegar a Marte y venir de Marte, está también la de Energía Antimateria o la de Chispa de Dios, aunque todavía no se puede ponerle en las ultimas dos energía ya nombrada todavía, pero quizá en 30 o 50 años se podría si se llegase a descubrir un material resistente para alta velocidad y segundo crear un campo magnético o burbuja para mantener la Gravedad como el de la tierra en la Nave.
Yo estoy a favor de la base lunar. Primero, conquistemos la luna y permanezcamos en ella. Es un sitio ideal para desarrollar misiones a otros planetas, fabricando naves y produciendo el combustible desde allí mismo. Ni te cuento la de ventajas que tendría vivir de continuo en la luna que sumaría experiencia a la supervivencia fuera de nuestro mundo. Una vez conseguida la permanencia en la luna y el desarrollo, fabricación y producción de todo tipo de pertrechos, combustibles y soportes vitales, ¿para qué leches necesitaríamos supercohetes?. La ventaja de la sexta parte de la gravedad terrestre que hay en la luna sería nuestra aliada. Y la disponibilidad de combustible (oxígeno líquido) producido en nuestro satélite sería fantástico para la puesta en marcha de un sistema de transporte tierra-luna con depósitos en órbita a modo de gasolineras. Nuestro futuro a la colonización del sistema planetario pasa por la luna como campo de experimentación y puerto espacial. Claro está que se necesitaría la colaboración internacional y no una individualidad americana, rusa, europea o china. La ISS ha sido el primer paso y nos hemos establecido. Demos pues el segundo y lógico segundo paso y establezcámonos en la luna. Lamentablemente todo este proceso significa que el anhelado viaje a marte es un salto a muy largo plazo que necesita quemar etapas. Esto no se me ha ocurrido a mí. Es ya una vieja propuesta conocida desde los años 70 y parece la más natural.
Cuando se halba de llegar a Marte en estos estadois tan tempranos, yo me pregunto ¿para que ? Es decir, ¿vas a colonizarlo ? ¿vas a arriesgarte muchos dias a canceres para luego no hacer una nueva sociedad marciana ? Si ahora van astronautas sera para recavar informacion. ¿Acaso esa tarea no la van a realizar mejor los automatas (robots) ?
Tienen menos problemas logisticos que el transporte de personas. Y ayudaran a construir los primeros refugios de abastecimiento.
Hablas mucho del diseño de un cohete. Pero, ¿no es mas sencillo una propuesta de estaciones espaciales que pueden proporcionar combustible en la luna y en alguna estacion espacial ? Es una pregunta tan inocente que igual se ha calculado ya y probablemente no compense. Pero me ha entrado la duda.Asi, quizas no nos ahorremos la masa equivalente, pero nos ahorramos el diseño de una obra colosal de la ingenieria.
Lo del tema del reactor nuclear es algo que me asusta. ¿El reactor se autogestionara solo ? ¿como de protegido esta para que no afecte a la tripulacion ? ¿que hara cuando parte del combustible se convierta en residuo y haga falta expulsarlo ? Seria muy divertido que la ruta mas optima este regada de material radiactivo para añadir mas exposicion contaminante . Me imagino que expulsara los residuos nucleares para optimizar su masa en el transcurso del viaje (dudo mucho que la nave guarde lo poco aprovechable como un basurero radiactivo).
y porque no hacen un combustible con agua? total en todo el universo ay
No voy a questionar la física ni astronomía, pero si hace cientos de años nadie se podría si quiera imaginar a travesar el mundo en barco, y en avión menos, o los carros, televisores, celulares,tableta, computadores, y lo que ha revolucionado tanto el internet, no me vengan con culadas que no podemos ir a marte que por el peso , o combustible , pura mierda, a lo mejor y ya fueron a otros planetas pero NO han querido decir nada los ricos y dueños del mundo, sabrá dios por que a lo.mejor de allá sacan las riquezas o yo que se, y hasta tendrán gente trabajando aquellas personas que desaparecen, o de pronto se llevan gente desde bebes, así que ya deben estar en otros planetas, y nosotros acá encerrados en la tierra.saludos, o a lo mejor y yo les hablo desde otro planeta mejor que la tierra. Cual.
Otra opción es pensar de manera diferente. En lugar de que el cohete lleve combustible, suministrárselo desde la tierra vía laser o microondas.
aparatos que puedan desplazarse a velocidad supra lumínica podéis, con ordenadores avanzados, detectar grietas espaciales -y lo digo con un lenguaje cotidiano- como para acortar camino, como si vosotros fuerais seres bidimensionales y estuvierais como letras en la página de un libro y quisierais ir a la página siguiente tendríais que ir al borde, dar la vuelta y recorrer unos centímetros hasta el otro lado siendo que siendo tridimensional perforas solamente la página y automáticamente pasas al otro lado. Esto es lo que hacen los futuros ordenadores con las grietas espaciales: cortan camino como si fuera un camino cuadrimensional. Pero en realidad no es así, no es que haya una cuarta dimensión. Muchos, equivocadamente, llaman la cuarta dimensión al tiempo. El tiempo no
Con esto ya remato la locura: el engaño masivo afecta también a la estructura de la Tierra, del Sistema Solar, de los llamados planetas del Sistema Solar, el Heliocentrismo es un engaño también, no error, Engaño, son cosas distintas,no me baso en la Biblia que ni he leido , sino en evidencias, desde los aviones el horizonte es recto en todo el plano, desde globos aerostáticos es también recto (siempre que no sean de la NASA que usa lentes de pez o trucajes por ordenador donde el horizonte lejano en los supuestos satélites se mueve a la misma velocidad que los puntos cercanos), se han hecho experimentos en canales, en zonas extensas planas y no hay ninguna curvatura, los aviones usan trigonometría plana, los barcos también los ingenieros de largas obras lineales también, la curvatura terrestre, como si no existiera, los aviones tardan lo mismo volando a favor de rotación que en contra!!!!!!….sigo la demencia, la estrella polar no se mueve ni un mm de su posición un año tras otro tras otro a pesar del movimiento que se trae la Tierra por el espació, millones de Km en 1 año, en curvatura (más el movimiento del sistema solar, mayor aún), ¿que ocurre que nos sigue la estrella polar en nuestro complejo e inmenso movimiento?, nos dicen que se mueve por precesión 1 grado cada 72 años, osea el pequeño movimiento de precesión es el que hace cambiar la posición aparente de las estrellas pero el gigantesco movimiento orbital doble (Tierra más Sistema Solar) no afecta en nada, no hay curvatura terrestre, no nos movemos ni un MM y por supuesto el Sol no forma el centro del sistema solar y es el que se mueve (cuando se aleja al atardecer en el horizonte se va haciendo más pequeño, como si fuera el Sol el que se moviera!!), no sabemos ni como es la Tierra ni donde está el Sol (más cerca), ni sabemos explicar como es esto posible, este sistema, es absolutamente demencial lo reconozco. Más cosas, los planetas no son Tierras, vease los videos de los aficionados con potentes telescopios y diganme como puede un planeta vibrar como una molécula, no sabemos que son y el Sol no sabemos que pajorera es. No sabemos nada (sobre estas cosas), lo otro un engaño