Hoy daremos un rápido vistazo a algunos sistemas de propulsión que, bien por su coste, por su carácter especulativo, por los desafíos tecnológicos que plantean, por problemas de seguridad, por su inmadurez o por bajas prestaciones habrían sido rápidamente descartados para impulsar las naves de la primera expedición tripulada marciana de 2018.
Propulsión nuclear pulsante: Fue en los años 50 cuando en los EE.UU. surgió la idea de emplear bombas atómicas para propulsar enormes naves espaciales a velocidades inauditas. El proyecto Orión fue el fruto de esa propuesta, en la que pequeños dispositivos nucleares de distinta potencia detonarían a una distancia dada de una nave dotada de un potente escudo que amortiguaría los efectos de la explosión y recibiría el impulso. Por descabellada que parezca la idea, se propuso seriamente como forma de poner en órbita cientos de toneladas de carga útil, se realizaron los estudios de viabilidad y se realizaron pruebas con explosivos convencionales.
La nave "Orión" en su concepto original en la
plataforma de lanzamiento
La nave "Orión" en pleno "despegue"
Es fácil suponer que poca gente estaría dispuesta a asistir al lanzamiento, y menos aún a embarcarse dentro de una nave que despegaría de la Tierra en medio de una serie de explosiones nucleares (serían precisas 800 explosiones con un total de 3 megatones de fuerza nuclear para situar a una nave de 4.000 toneladas a 480 kilómetros de altitud. Hasta los 38 km. de altura sería preciso detonar 200 cargas de 0,15 kilotones y en el espacio se emplearían cargas de 5 kilotones). También es fácil imaginarse las consecuencias de un accidente en pleno despegue...
Al final, y a pesar de que en los 60 se propuso una versión menos "agresiva" que usaría un par de cohetes Saturno V para poner en órbita una nave interplanetaria dotada de ese tipo de propulsión, el proyecto fue abandonado con la excusa de la firma del tratado de prohibición del uso de armas atómicas en el espacio (1963).
Concepto Orión - Saturno V de General Atomic para una misión
tripulada a Marte (8 astronautas). Masa total: 190 tns. (carga útil de
100 tns.) Isp de entre 1.800 y 2.500 segundos. Duración total de la
misión: 125 días
Pero el avance tecnológico producido en los últimos 40 años en todos los campos ha permitido retomar el concepto de propulsión pulsante rudamente pergeñado en el proyecto Orión. La propuesta Mini-Mag Orión consiste en comprimir unas cápsulas que contienen pequeñas cantidades de material fisible hasta alcanzar su umbral crítico a través de un campo magnético. La detonación tiene una potencia de 5 toneladas de TNT y genera una gran cantidad de plasma que es dirigido a una tobera magnética que genera el empuje. En 2003 el concepto fue probado con éxito, obteniéndose un empuje parecido al de los motores principales del transbordador espacial, pero con un rendimiento 50 veces mayor. Un sistema Mini-Mag Orión operativo podría desarrollar un Isp de 21.400 segundos y un empuje de 625.000 N. Si prosiguen las investigaciones en este terreno y se producen los necesarios avances técnicos, este sistema sería una excelente alternativa a los motores de plasma VASIMR. El tiempo lo dirá.
Nave propulsada por un sistema
Mini-Mag Orion en Júputer
A mayor escala, el proyecto Dedalus (British Interplanetary Society, 1973-77) proponía el uso de propulsión nuclear pulsante de fusión (deuterio y helio) para enviar una nave automática de 500 toneladas a la estrella de Barnard (5,9 años-luz; en los 70 se pensaba que esa estrella tenía al menos un planeta, pero hoy esa posibilidad está descartada) en un viaje de 50 años. Los motores (dos etapas) funcionarían durante 4 años para acelerar hasta el 12% de la velocidad de la luz (36.000 km/s), consumiendo 50.000 toneladas de combustible.
Proyecto Daedalus
Motor térmico nuclear de núcleo gaseoso (NTGC): Esta prometedora técnica de propulsión térmica de fisión, que presenta un Isp de hasta 10.000 s. y empujes de hasta 5.000.000 N, tropieza con graves problemas de control de la reacción y de la expulsión por la tobera de gran cantidad de elementos radiactivos. Necesita, como el motor térmico nuclear de núcleo líquido, de mucha investigación y avances tecnológicos para poder llegar a ser una alternativa viable.
Motor nuclear de núcleo gaseoso
Propulsión iónica: Este famoso sistema de propulsión presenta impulsos específicos muy altos, pero los empujes son extraordinariamente bajos, además de presentar serios problemas técnicos derivados de la ionización y el desgaste de los electrodos. Puede llegar a ser una buena alternativa para el envío de sondas al espacio profundo, donde una aceleración de meses puede acortar en años el viaje, pero para vuelos tripulados en el Sistema Solar interior no es adecuada.
Fusión nuclear: Al menos hasta mediados del siglo XXI no dispondremos de reactores nucleares de fusión viables, pero pasarán más años aún hasta que se puedan construir unidades lo suficientemente compactas y seguras para embarcarlas en una nave espacial. Al igual que en el caso de la energía de fisión, en el futuro la fusión nuclear podrá ser empleada para producir electricidad y usarla para generar grandes cantidades de plasma. Una nave propulsada por fusión nuclear de helio y deuterio podría alcanzar un Isp de ¡¡¡800.000 segundos!!! (es decir, que para una razón de masas de 5, la nave podría alcanzar una velocidad máxima de 12.600 km/s) y un empuje de 49.000 N.
Esquema de un motor de fusión
Vela solar: Si bien este sistema de propulsión sin combustible basado en la presión ejercida por los fotones solares sobre una "vela" o "espejo" de gran superficie contruida con un material ultraligero ha sido objeto de múltiples estudios teóricos y experimentos (programa Cosmos 1 de la Planetary Society ), el gran tamaño de las velas, la estabilidad de la estructura, los impactos de los micrometeoritos, la larga duración de los viajes (se tardarían 500 días en enviar a Marte una carga de 5.000 kg), la dificultades técnicas para el "viaje de vuelta" y su bajo empuje (un proyecto de sonda espacial para la exploración del cometa Halley, jamás llevado a cabo, preveía la construcción de una amplia vela de 640.000 metros cuadrados para obtener de los fotones solares un empuje de apenas 600 gramos) limita su empleo para el envío de sondas robot y otras pequeñas cargas.
Sonda interplanetaria dotada
de una vela solar
Vela láser: Versión de "alta potencia" del concepto anterior que precisaría de la instalación en órbita terrestre (o de otros planetas) de generadores de luz láser alimentados por energía solar que dispararían su rayo contra la "vela" o "espejo" de la nave propulsándola hacia su destino a gran velocidad. Muchísimo más eficiente que el concepto "vela solar", cabría imaginar la construcción en el futuro de una red de generadores láser orbitando los principales planetas del Sistema Solar para impulsar y frenar vehículos espaciales tripulados y robot en vuelos interplanetarios, aunque requeriría de lásers de muy alta potencia que habría que mandar de alguna manera a sus posiciones de trabajo. De momento, es una idea demasiado cara que precisa de unos cuantos avances tecnológicos.
En una obra escrita en 1984, Robert Forward especuló con el envío con esta tecnología de una sonda de una tonelada a Proxima Centauri (a 4 años-luz), en un viaje de 40 años de duración. La superficie reflectante tendría 3,6 km de diámetro y estaría construida en aluminio de 16 nanómetros de grosor. Para impulsar esta pequeña nave sería preciso un sistema láser de 10 GW. Pero si se desease que la nave pudiese desacelerar y retornar a nuestro Sistema Solar, la potencia del láser debería ser de 7,2 trillones de Watios (funcionando a plena potencia durante décadas) y la vela estaría compuesta por varios anillos separables, siendo el exterior de 100 km de diámetro.
Estudio teórico del envío de una sonda interestelar a Epsilon Eridani
(a 10,7 años-luz) en un viaje de 20 años a la mitad de la velocidad de la luz.
Potencia eléctrica del láser: 43 teravatios (43 veces la de la Tierra)
Motores de antimateria: el desarrollo de la propulsión por antipartículas tropieza con graves dificultades derivadas del enorme coste que tiene la producción de cantidades significativas de antimateria y de la dificultad y peligrosidad de su manejo, pues incluso unos pocos microgramos podrían ocasionar un auténtico desastre en caso de que fallaran los sistemas de contención magnética en una nave espacial. Además, todas las reacciones materia-antimateria generan radiación gamma, lo que obligaría al uso de escudos (al igual que en los NTR) y a emplear en las toberas materiales de isótopos de baja masa para evitar reacciones incontroladas.
Aunque existen diversos conceptos de uso de antipartículas para la propulsión espacial, el más habitual consiste en usarla paras calentar una masa de reacción (hidrógeno, metano) hasta convertirla en plasma y expulsarlo por una tobera magnética. En un sistema bien diseñado las velocidades del chorro de gases podrían ser de hasta 7.800 km/s y el empuje de 49.000 N. Otra ventaja es la de que la razón de masas nunca sería superior a 4,9 y podría llegar a ser tan bajo como 2 (para lograr más velocidad no se quemaría más combustible, sino que se añadiría algo más de antimateria, que se mide en microgramos o a lo sumo unos pocos gramos). Una nave dotada de un motor que convirtiese en plasma 1,4 kg. de metano cada segundo usando 3 miligramos de antimateria, desarrollaría un nivel energético de 500 GW y manteniendo el empuje en 1/6 de gravedad alcanzaría Marte en... ¡¡¡ 7 días !!!
Nave propulsada por un motor de antimateria
Lamentablemente, esta tecnología está todavía en mantillas y serán precisos muchos años y mucha investigación para que tenga posibilidades reales.
Bien, todo llega a su fin, incluida esta serie de "post" sobre astronáutica. Espero que os hayan gustado.
Saludos
¡¡¡SE ACABAN LAS VACACIONES queridos compatriotas!!! Volveremos a la carga en breve.
