La sonda Parker Solar Probe, su récord de velocidad y la técnica para alcanzar el espacio interestelar

El pasado 5 de noviembre de 2018 a las 03:28 UTC la sonda Parker Solar Probe (PSP) de la NASA realizó su primer paso por el perihelio, esto es, el punto más cercano al Sol de su órbita. Muchas sondas en órbita solar pasan por el perihelio y no es noticia, pero en el caso de la PSP sí que lo es por dos motivos. Primero, porque se ha convertido en el artefacto humano que más se ha acercado al Sol. Efectivamente, la PSP ha pasado a tan solo 24,8 millones de kilómetros de la fotosfera, la «superficie» visible de nuestra estrella. Al mismo tiempo, y respetando las leyes de Kepler, PSP batió el récord de velocidad de una nave espacial alrededor del Sol, alcanzando 95,33 km/s, o sea, 343 190 km/h. ¿No te impresiona? Pues piensa que es nada más y nada menos que el 0,032% de la velocidad de la luz. Como lo oyes.

Rápido y caliente (NASA).

Previamente, el 29 de octubre, la PSP superó el récord de distancia al Sol que había establecido la sonda alemana Helios 2 (Helios B) el 16 de abril de 1976, así como el de velocidad (68,6 km/s), alcanzados el 16 de abril de 1976. Claro que, cuando hablamos de velocidades de vehículos espaciales, hay que ser muy cuidadosos con el sistema de referencia. La Parker Solar Probe es por ahora la nave más rápida en órbita alrededor del Sol si medimos su velocidad con respecto al centro del Sol, es decir, en un sistema de coordenadas heliocéntric; y también ha superado el récord de velocidad de la sonda Juno alrededor de Júpiter, de casi 59 km/s (que sigue siendo la velocidad planetocéntrica más elevada de una sonda) y el de la sonda soviética VeGa 1 cuando sobrevoló el cometa Halley a 79,2 km/s (y que continúa siendo la velocidad de sobrevuelo más alta alcanzada por una sonda). Sin embargo, si medimos la velocidad con respecto a la Tierra, en un sistema de referencia geocéntrico, la PSP todavía no ha batido el récord de 98,9 km/s (356 040 km/h) establecido por la Helios 2 en 1989. El récord de la sonda alemana está siendo un hueso más duro de roer de lo previsto.

Parker Solar Probe (NASA).

La sonda Parker Solar Probe fue lanzada el 12 de agosto de 2018 a las 07:31 UTC mediante un cohete Delta IV Heavy desde Cabo Cañaveral para estudiar la corona solar in situ. Pero, a pesar de usar el segundo cohete más potente en servicio de Estados Unidos y emplear una etapa superior de combustible sólido Star-48V, la PSP no fue situada en su órbita científica final. Para ello la PSP deberá realizar siete sobrevuelos de Venus con el fin de reducir aún más su perihelio. El primero de estos perihelios cercanos, a unos 6,2 millones de kilómetros del Sol, no tendrá lugar hasta diciembre de 2024. De aquí a entonces la Parker Solar Probe superará su propio récord de velocidad y cercanía al Sol en varias ocasiones. En total, la misión primaria de la PSP debe durar 6 años y 11 meses, lo que permitirá a la sonda llevar a cabo 24 vueltas alrededor del Sol. La órbita científica final será muy elíptica, con un perihelio muy próximo al Sol —6,2 millones de kilómetros, como ya hemos señalado— y un afelio de unos 110 millones de kilómetros —cerca de la órbita de Venus—, lo que permitirá que la sonda no pase mucho tiempo dentro de la tórrida corona solar.

Sonda Helios (Wikipedia).
La sonda Helios sigue teniendo el récord de velocidad de una sonda con respecto a la Tierra, pero no por mucho tiempo (Wikipedia).

Como vemos, acercarse al Sol es difícil. No se trata de «dejarse caer», porque hay que tener en cuenta que cualquier sonda que lancemos desde la Tierra ya tiene una energía importante simplemente por el hecho de girar alrededor del Sol junto con nuestro planeta. En realidad, la velocidad alcanzada por la PSP al salir de la Tierra fue solo ligeramente inferior a la que obtuvo la sonda New Horizons rumbo a Plutón. En su lanzamiento, la New Horizons se convirtió en el objeto humano más veloz en abandonar la Tierra (45 km/s con respecto al Sol, 16 km/s respecto a la Tierra), aunque es mejor reflejar este dato en función de la energía característica o C3. Para la New Horizons la C3 fue de 157,8 km2/s2, mientras que la C3 de la PSP alcanzó los 153,8 km2/s2. O, dicho de forma más sencilla, energéticamente es igual enviar una sonda a las cercanías del Sol que a Plutón. Y eso que originalmente la PSP debía ser una misión mucho más ambiciosa que se iba a aproximar hasta 2,1 millones de kilómetros del Sol (3 radios solares). En ese caso no hubiera bastado con realizar varios sobrevuelos de Venus para alcanzar esta órbita, así que la sonda tendría que haber viajado primero hacia Júpiter con el fin de utilizar la gravedad del gigante joviano para reducir su perihelio.

Trayectoria original de la Solar Probe con una asistencia gravitatoria con Júpiter para alcanzar el Sol (NASA).
Órbitas de la Parker Solar Probe(NASA).

Curiosamente, acercarse mucho al Sol no solo es necesario para estudiar nuestra estrella de cerca, sino que también es uno de los mejores métodos para alejarse de ella y alcanzar el medio interestelar. El Sol constituye la mayor masa del sistema solar y, por lo tanto, es la mejor opción para realizar una maniobra de asistencia gravitatoria de cara a una misión interestelar. Si además esta maniobra va acompañada de un impulso procedente de un sistema de propulsión durante el paso por el perihelio, la magia del efecto Oberth permitirá obtener velocidades de exceso hiperbólicas lo suficientemente altas como para enviar una sonda al medio interestelar (si deseamos viajar a otra estrella es necesario emplear algún sistema de propulsión adicional). Por ejemplo, una sonda que adquiera una Delta-V de 14,6 km/s a una distancia de 4 radios solares logrará una velocidad de 20 UA al año (es decir, tres mil millones de kilómetros por año), suficiente para alcanzar una distancia de 500 UA en 25 años.

SOndas interestelares (aquí similares a la New Horizons) con una etapa STAR-48B para una maniobra de asistencia gravitatoria en las cercanías del Sol. Dependiendo de la distancia del perihelio la sonda llevaría uno o dos escudos térmicos (Ralph McNutt/APL).

Naturalmente, habría que proteger la sonda de las enormes temperaturas. La PSP lleva un escudo térmico que la protege de los 438 ºC alcanzados en este último perihelio, pero una sonda interestelar debería acercarse más al Sol y, por tanto, su temperatura sería mucho mayor. Para ello lo ideal sería incorporar uno o dos escudos desechables —en el medio interestelar no son necesarios— durante el paso por el perihelio. Por eso la experiencia de la Parker Solar Probe es importante de cara al futuro, cuando queramos lanzar una misión al medio interestelar… o hacia algún objeto que se aleje del Sol como ‘Oumuamua.

Referencias:

  • https://planetaryexploration2061.epfl.ch/files/content/sites/planetary-exploration-2061/files/McNutt.pdf
  • https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/parker-solar-probe-reports-good-status-after-close-solar-approach/


48 Comentarios

          1. Haciéndome ilusiones, saqué los cálculos, para ver a donde llegábamos con 500 UA en 25 años. Esto nos lleva fuera de la heliopausa que está a “solo” 120 UA, pero próxima centauri, está a nada más ni nada menos que 4,2 Años Luz, 1 Año Luz = 63.241 UA. En Resumen, llegamos a la puerta de salida de la casa… y a ningún lado más, ni a la vereda, ni menos a la calle. pero la casa del vecino está un poquito más cerca, avanzamos un 0,8% aprox en 25 años. En otro punto, MITO, como Chileno te digo que cabritas le dicen muy pocos, palomitas de maíz es mucho más general. jajaj Saludos.

        1. Pues su objetivo no es la superficie del sol sino la corona solar y como se genera el viento solar.
          Otra cosa es que me parece que no nesesitamos un sobre vuelo al sol para lanzar una nave espacial al espacio interestelar si no mal recuerdo se habló aquí de una sonda que usaría una vela solar para llegar a jupiter y luego salir disparada hacia la heliofera 🤔

        2. ¿Usas los ojos para averiguar a qué saben los alimentos? La PSP no va a mirar la superficie del sol (eso lo hacemos desde mucho más lejos, por ejemplo con la sonda SOHO), sino que va a ‘saborear’ los campos magnéticos y la sopa de partículas que rodea al sol. Para ello, está equipada con otros tipos de sensores, como magnetómetros y detectores de partículas.

          Los tipos que piensan estas cosas suelen pensarlas bastante detenidamente… y tontos no son, precisamente.

        3. El Sol es tan grande que no necesitas acercarte para sacar fotos en detalle. Lo que la sonda hará es medir campos magnéticos, composiciones, radiaciones etc

      1. Tampoco los instrumentos que lleva esta sonda resisten 1400 grados. Para eso lleva un escudo que siempre estará de cara al sol dejando en la fría sombra las partes delicadas de los instrumentos.

    1. No tiene cámaras que apunten diréctamente al sol.
      Quizá es una tontería, pero creo que una cámara oscura, sin más óptica que un minúsculo agujero, nos daría buenas imágenes del sol desde cerca.

  1. “dicho de forma más sencilla, energéticamente es igual enviar una sonda a las cercanías del Sol que a Plutón” … y yo que creía que al estar cerca del pozo gravitatorio del Sol la sonda sería atraída con mayor fuerza y prácticamente caería en picada al Sol , o en este caso es por la obvia diferencia de distancias : a Plutón 30 UA y al sol 1 UA ?

  2. A la gente sin formación, le puede chocar que “energéticamente es igual enviar una sonda a las cercanías del Sol que a Plutón”: 153,8 km2/s2 y 157,8 km2/s2.
    También hay que destacar la enorme diferencia en delta-v entre viajar desde la superficie de la Tierra hasta 6 millones de kilómetros del sol: sin o con asistencias gravitacionales. Yo calculé; sin: 26.6 km/s y con la V7GA: 19.1 km/s.
    Si alguien quiere rehacerse estos cálculos y le da algo distinto: que ponga (hasta finales de Noviembre) cómo sacó lo que le da y lo comentamos. (Nota: el delta-v desde la superficie de la Tierra a la del sol sin asistencias me da 39.25km/s).

  3. Velocidad de la luz: +- 300.000 km/s
    Por lo que un Año luz son: 9.460.800.000.000 km
    Próxima Centauri está a 4,22 Años Luz, lo que son 39.924.576.000.000 Km (266.164 UA)
    Si lanzásemos la Parker Solar Probe a 100 Km/s hacía Próxima Centauri llegaría en 9.245.760.000 Segundos, lo que son 110.901.600 Horas. O 4.620.900 Días. En definitiva: 12.660 Años
    Como decía la Reynolds: “¡Qué solos estamos!”

    1. Sí… lamentablemente, hasta que no se consiga desarrollar un tipo de impulsión que acerque a una nave a una fracción apreciable de la velocidad luz, los viajes interestelares quedan fuera de nuestro alcance.

      El único proyecto serio y testeado al respecto, aunque nunca desarrollado, fue el Proyecto Orión (o su variante, el Daedalus), capaz de alcanzar entre un 5% y un 10% de la velocidad luz (en teoría).

      1. Descorazonador ciertamente.

        Y más si echamos un ojo al cálculo que ha hecho Falcón. Lo peor es que, aun aproximándonos siquiera un poco a la velocidad de la luz, hay objetivos prometedores que necesitan centurias para aproximarnos a ellos.

        No verán los ojos de los aquí presentes la culminación de tales viajes. Veremos si su inicio al menos….

        1. “No verán los ojos de los aquí presentes la culminación de tales viajes. Veremos si su inicio al menos….”

          NO, no veremos eso (el inicio del viaje interestelar con personas) ni de lejos, ni nuestros nietos lo verán. Y me me temo que ni los nietos de nuestros nietos tendrán ese privilegio….
          Siento el pesimismo… o mas bien, el realismo.

    2. Hace…
      12,000 años: primera evidencia de asentamiento, en la región de Jericó, que era un lugar de acampada popular para los grupos de cazadores-recolectores natufienses, que dejaban atrás unas herramientas de microlitos en forma de media luna.
      12,000 años (10,000 AC): Domesticación de la cabra.
      12,000 años (10,000 AC): los últimos rastros de la glaciación Würm desaparecen de escandinavia, dando lugar al inicio del Holoceno.
      12.000 años dan para mucho. Hemos pasado de domesticar cabras a mandar sondas a planetas.

    3. Necesitamos el botón de Hiperespacio en la consola de nuestras naves espaciales.
      En caso contrario, el Universo puede ser deprimente: “Mírame y no me toques”.

      ¡Por favor! ¡Que alguien encuentre la manera de soslayar a Einstein! Sus teorías nos convierten en rehenes de nuestro espaciotiempo local, condenados a mirar el Universo sin poder pisarlo nunca. Es una sutil tortura.

      ¿Qué maravillas, qué secretos insondables nos aguardan en esos misteriosos exoplanetas? ¿Qué nuevos horizontes para el alma humana?
      Ajo y agua. Nunca lo sabremos. Somos ratas en una jaula. Es insoportable.
      ¡BANG!

  4. En el caso de una sonda interestelar, yo no desecharía los escudos térmicos tan alegremente, sino que (y siguiendo algunos ejemplos al respecto, tanto de proyectos teóricos como de la Ciencia Ficción) una vez cumplida su función de proteger a la sonda tras el perihelio y una vez fijada la trayectoria de vuelo, los separaría (al menos 1) y los movería a una distancia segura ante la nave, perfectamente alineados con ella.

    De esa forma, el escudo térmico también serviría como escudo de crucero, librando a la sonda de los impactos con el polvo y los micrometeoritos en su larguísimo viaje. A grandes velocidades, el impacto contra el escudo (incluso se han propuesto escudos de PVC para ello) vaporizaría las minúsculas partículas, evitando que dañasen la nave. De la radiación creada por ese impacto… en fin, es inevitable y, sin escudo, la sonda la va a recibir igual contra su cuerpo “desnudo”, así que…

    Salu2

    1. Y así cuando un micrometeorito golpée el escudo, centenares de trozos grandes golpearán la sonda. Cuando quizás el micrometeorito sólo habría hecho daños menores de impactar con la sonda.

      1. No has leído todo el comentario. A grandes velocidades, cualquier impacto contra el escudo VAPORIZA el objeto en cuestión, con lo que sólo llega a la sonda una ráfaga de moléculas sueltas y radiación.

        A “bajas velocidades” (las típicas de navegación dentro del Sistema Solar) podría pasar lo que tú dices, que tampoco. Por ejemplo, el fuselaje del Shuttle estaba constituido por varias capas, entre titanio, PVC y más materiales, de forma que un micrometeorito o cualquier objeto pequeño se vaporizase contra éste, a través de las multicapas, sin llegar a penetrar en el interior de la nave… y eso a velocidades de LEO).

        Pero a velocidades de traslación interestelar (se supone que, como mínimo, serían de 0.5%-1% de la de la luz, para ser una misión viable, al menos a las Nubes de Oort… para las estrellas cercanas, con menos de un 10% poco hacemos), el escudo destruiría completamente el objeto en cuestión (y le quedaría un agujero, claro…) sin mayor riesgo para la sonda. Eso sí, si el pedrolo es del tamaño de una pelota de ping pong o más, aquí no se escapa ni el RTG…

        1. Tendría que haber una conexión física entre el escudo y la nave. De lo contrario la presión de radiación y los impactos irían frenando y/o desviando el escudo con respecto a la nave.

        2. Es decir, si no hay una conexión física entre el escudo y la nave, entonces el escudo debería tener su propio sistema de propulsión para corregir y mantener su posición relativa a la nave.

          Eso significa que el escudo se separa de la nave cuando ésta alcanza su máxima velocidad y deja de acelerar, porque obviamente los motores del escudo no pueden competir con los de la nave.

          El asunto es que el escudo está ahí por un motivo. Y ese motivo es relevante desde mucho antes que la nave alcance su máxima velocidad. Alcanzar 10% de c requiere su tiempo. Durante todo ese tiempo de aceleración las velocidades ya son enormes, y si el escudo no está plenamente operativo… mal asunto.

          Por eso me convence más la idea de que el escudo esté en su lugar desde un principio, o que se vaya separando de la nave por medios telescópicos a medida que la velocidad aumenta. Ambos casos implican conexión física.

          1. Por lo que exponían en los proyectos a este respecto, el escudo va unido a la nave durante la aceleración (que se supone, en esos proyectos, que dura MUCHO menos que la fase de crucero). Es entonces, una vez alcanzada la velocidad de crucero, cuando el escudo se separa de la nave, en su misma trayectoria, a varios cientos o miles de kilómetros de distancia, durante todo el crucero.

            Luego frenaría, se acoplaría de nuevo a la nave y ésta empezaría la fase de deceleración. Obviamente, el escudo tiene que tener sus pequeños propulsores para esas maniobras. Una vez que el conjunto nave-escudo ya no esté acelerando, supongo que un pequeño impulso bastará para separarlos y viceversa.

            También cabe la objeción de que, mientras está acelerando, con el escudo pegado a ella, la nave es vulnerable a los impactos… Supongo que sobre eso, no se puede hacer mucho más, a menos que se usen esos dispositivos telescópicos que comentas…

          2. Asumiendo un sistema de propulsión más o menos realista, la fase de crucero sería efectivamente la más larga con diferencia. También sería la etapa más “limpia” del trayecto (medio interestelar), mientras que las fases de aceleración (dentro y/o en las inmediaciones de sistemas estelares) serían las más “sucias”.

            Quizás para el escudo “los muchos impactos más masivos y menos veloces” de las fases de aceleración equivalen grosso modo a “los pocos impactos menos masivos y más veloces” de la fase crucero. O quizás no, no lo sé. Quiero creer que los autores de estos conceptos están bien informados, que no se los inventan sin el menor fundamento.

            Entiendo las razones que dan sentido a la idea de tener un escudo “autónomo”, independiente, ubicado bien por delante de la nave en la fase crucero. Incluso me agrada la sencillez conceptual, la elegancia de la solución. Pero a la vez me causa escalofríos la idea de que un escudo “autónomo” deba ser una “cuasi-nave” para mantenerse en su lugar.

            Una cosa es complejidad estructural, y otra cosa es complejidad funcional. La segunda me parece una vulnerabilidad importante para un escudo, cuya única función debería ser recibir golpes (desviar, absorber, amortiguar la lluvia de radiación y de impactos).

            La funcionalidad de un escudo “autónomo” depende de su capacidad de maniobra, y si ésta falla (un impacto daña la propulsión, por ejemplo) podría perderse el 100% del escudo de un solo golpe.

            En cambio, cada centímetro cuadrado de un escudo “tonto” (no independiente de la nave) cumple su función hasta el final (hasta que ese centímetro cuadrado es vaporizado por un impacto).

            Me viene a la mente la simplicidad conceptual y robustez funcional de la solución en Cánticos de la lejana Tierra, consistente en montar un “iceberg” en la proa de la nave. La pega es la masa del menudo cubito de hielo. Pero en la novela ese escudo no era mero lastre porque ese hielo se usaba también como masa de reacción para los motores. ¡Dos urracas de un tiro! 🙂

  5. Magnífico artículo, como siempre, Daniel.

    Solo dos cosillas, la primera, una corrección, pues te ha traicionado el teclado. Dices en el texto que:

    “Por ejemplo, una sonda que adquiera una Delta-V de 14,6 km/s a una distancia de 4 radios solares logrará una velocidad de 20 UA al año (es decir, tres millones de kilómetros por año), suficiente para alcanzar una distancia de 500 UA en 25 años.”

    En realidad, 20 UA al año son tres MIL millones de kilómetros por año.

    Segundo, me ha extrañado que, hablando de asistencias gravitatorias solares para alcanzar el espacio interestelar no hayas mencionado que en la novela “Cita con Rama” de Arthur C. Clarke (que creo que has leído más de una vez por lo que has dicho en algún programa de “Radio Skylab”) ese es precisamente el método que sigue el cilindro alienígena para acelerar hasta (creo recordar) la mitad de la velocidad de la luz y lanzarse hacia otro objetivo más allá de nuestro Sistema Solar.

    1. De hecho, usa su propia propulsión, a la que en la novela llaman Impulso Espacial, sin emisión de gases ni nada al exterior (una especie de motor inercial o un empuje de repulsión gravitatoria, por ejemplo), más que la asistencia gravitatoria solar.

      Más que nada porque, pasado un buen tiempo después de haber dejado el Sol atrás, Rama I sigue acelerando hasta, como bien dices, la mitad de la velocidad de la luz.

      1. 200.000 km/h = 55.6 km/s

        Y luego aceleró hasta la mitad de c

        55.6 km/s versus 150.000 km/s

        ¡Menudo efecto Oberth! Me da la impresión que Rama se acercó al Sol nada más que para recargar sus baterías. La asistencia gravitatoria fue sólo un pequeño bonus 😉

  6. Estupendo artículo que hace soñar con la frontera más infranqueable de nuestro sistema: las proximidades del sol.

    En ese entorno ¿sería viable propulsarse calentando gas xenon exponiéndolo al sol, en vez de acelerarlo con un motor iónico?

    Si se hiciera circular un gas por el escudo térmico durante el perihelio y se lanzara por una tobera una vez calentado quizá podría dar un empuje similar al de los motores químicos, pero con menos masa.
    Estoy a favor de usar el sol para propulsar sondas al sistema solar exterior, pero las sondas interestelares, de momento me parecen una quimera, primero por la enorme distancia que nos separa. Pero si lográramos impulsarnos a velocidades cercanas a las de la luz estaríamos indefensos ante el más mínimo choque, incluso con partículas minúsculas. La probabilidad de que una sonda se encuentre con partículas interestelares en un trayecto de varios años luz debe de ser casi del 100%, así que no conviene que el encuentro sea veloz.

    1. Por eso se habla de los escudos que vuelan ante la nave, en su misma trayectoria, para que al impactar los pequeños objetos contra ese escudo, se vaporicen y no dañen la nave.

      Es algo que ya he leído varias veces. La más reciente, la nave “Venture Star” de la película “Avatar”, en la que se especifica que el panel reflectante con el que se ayuda para acelerar hacia Alpha Centauri mediante láseres emitidos desde una instalación en órbita solar, una vez lograda la velocidad de crucero, la nave gira 180º, el panel se separa de ésta a unos 50.000 km de distancia y actúa como un escudo contra objetos potencialmente peligrosos para la nave.

      Si la nave va, a cuerpo desnudo… como tú dices: RIP.

        1. No es que sepa mucho de esto, pero si la masa que lanzas hacia atrás es menor, la fuerza de reacción será menor. O quizá se tiene más velocidad del gas, pero no necesariamente más velocidad de la nave.
          ¿No es por eso por lo que se usa un gas noble pesado como el xenon en los motores iónicos?

          1. ** Creo ** que la masa x velocidad del propelente es igual a masa x velocidad del objeto impulsado. Aumentando adecuadamente la velocidad del propelente aumentas la velocidad de la nave. Al final la clave esta en la cantidad de energia por segundo disponible. Fusion ya!

  7. Excelente entrada!! La maniobra de asistencia gravitatoria con Júpiter con objetivo en el perihelio solar, creo que es la más adecuada para acelerar una sonda en la dirección de Próxima Cen. Si fuese el caso de una vela solar desplegable, se abriría justo después del perihelio sobre el polo sur solar, de esta manera aprovecharía la máxima presión de radiación tratando de obtener el mayor impulso posible. También existe la posibilidad de aprovechar la proximidad al sol para alimentar un propulsor eléctrico de gran potencia sin la necesidad de
    una fuente nuclear!!

  8. Muy interesantes todos los comentarios, ¿quien puede responderme que tipo de motor utiliza la sonda y cual es la velocidad inicial de la misma una vez que abandona la tierra?

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 11 noviembre, 2018
Categoría(s): ✓ Astronáutica • NASA • Sol