Cuestiones de astronáutica (6): Misión a Marte (3)

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Telescopio
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Cuestiones de astronáutica (6): Misión a Marte (3)

Mensajepor Telescopio » 01 Jun 2005, 10:46

Hola de nuevo.

De cara a la primera misión tripulada marciana de 2018, nuestros planificadores de 2010 han revisado ya dos sistemas de propulsión: el químico-criogénico (hidrógeno y oxígeno líquidos) y el térmico-nuclear (reactor de fisión de núcleo sólido con hidrógeno como masa de reacción). Los rendimientos del primer sistema eran altos en empuje pero pobres en impulso específico, mientras que en el segundo (en el que los motores son bastante pesados) tenemos un empuje más discreto pero de mayor duración (entre media y una hora), con un impulso específico que en términos generales (excepto para la tecnología MITEE) es de casi el doble que la propulsión química avanzada. Pero ¿es esto suficiente? Hagamos unos números con un experimento sencillo y bastante simplificado.

Supongamos que tenemos en el espacio dos cohetes de una sóla etapa, con una razón de masas de 8, uno dotado de un motor criogénico (velocidad de chorro de gases de 4.500 m/s) y otro equipado con un motor nuclear de núcleo sólido convencional (velocidad de chorro de gases de 8.000 m/s). Ambas naves encienden sus respectivos motores y los mantienen encendidos hasta que agotan la totalidad del combustible. ¿Cuál será su velocidad final? Aplicando una fórmula ya vista:

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tenemos que el cohete químico alcanzará los 9,36 km/s y el nuclear los 16,63 km/s. A esa velocidad, la nave movida por hidrógeno y oxígeno líquidos tardará 2.968 horas en recorrer 100 millones de kilómetros (esto es, 124 días), mientras que la atómica tardará 1.670 horas (70 días). Pero claro, esto sería en un vacío perfecto, sin perturbaciones gravitatorias y en línea recta. En el mundo real, las naves espaciales no queman todo su combustible, no eligen su razón de masas al azar y sus trayectorias no son rectilíneas. Sin embargo, el ejemplo nos sirve para hacernos una idea de que ni siquiera los motores térmicos nucleares nos permitirán movernos muy deprisa. Sólo nos proporcionarán una pequeña mejora.

¿Hay pues, alguna otra opción? Sí. La tecnología de magnetoplasma.

3) Cohete de magnetoplasma con impulso específico variable (Variable Specific Magnetoplasma Rocket o VASIMR): El cohete de magnetoplasma se engloba en la gran familia de los sistemas de propulsión eléctrica (sistemas iónicos, de arco eléctrico, etc.), pero con mayores rendimientos. Se trata de una puesta al día de un concepto ya definido teóricamente en los años 50, que evolucionó a través de diversos planteamientos y que debe mucho a los actuales avances en tecnología de fusión nuclear. Se basa en el empleo de potentes campos de radiofrecuencia para ionizar el propelente (usualmente, hidrógeno), generando un plasma que es posteriormente acelerado a través de campos magnéticos (la contención magnética es imprescindible dado que las temperaturas del plasma son superiores a los 10.000 K). Los campos de radiofrecuencia serían generados por un sistema nuclear (NEP o Nuclear Electric Propulsion) del orden de los 100 MW para misiones interplanetarias tripuladas, pero a pequeña escala (p.ej., sistemas de control de altitud de estaciones espaciales o satélites), podría emplearse energía solar (10 kW).

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Esquemas de funcionamiento del cohete de magnetoplasma

Este motor es capaz de fluctuar su velocidad, de modo que a diferencia de otros motores, es capaz de modificar su potencia. Así, aumentando la energía su impulso específico también se incrementa, reduciendo con ello el empuje; si la energía es menor, el impulso específico desciende pero aumenta el empuje. Dado que una de las características de esta tecnología es (como en el caso de la iónica) la del impulso constante, una nave dotada de un sistema VASIMR no precisaría de complejas asistencias gravitatorias para incrementar su velocidad (aunque no se excluyen), y su empuje sería suficiente como para abortar una misión en caso de problemas graves y retornar a la Tierra. El rango de velocidades de escape del chorro que es capaz de generar el sistema VASIMR con un nivel de energía de 10 MW va desde los 29.000 a los 300.000 metros/segundo (Isp de 2.959 a 30.612 segundos) y el empuje puede variar entre un mínimo de 40 Newtons (a máximo empuje específico) y un máximo de 400 (al mínimo Isp). Las fases de alto empuje y bajo Isp se darían al principio (cuando fuera preciso emplear toda la mayor fuerza para salir de la órbita de la Tierra, por ejemplo) y al final de la misión (al frenar para entrar en órbita del planeta de destino, sin descartar el uso de maniobras de aerofrenado).

Con este tipo de tecnología las misiones tripuladas a Marte se convertirían casi en algo rutinario, pues su alta velocidad final le permitiría cubrir los trayectos Tierra-Marte / Marte-Tierra en 80-100 días (en función de las posiciones de los planetas y del Isp, si bien podría viajarse aún más deprisa -como veremos a continuación- con cargas útiles relativamente pequeñas).

Un interesantísimo estudio de la NASA de marzo de 1995, firmado entre otros por Franklin R. Chang-Díaz, Michael Hsu y Tien Fang Yang, titulado Rapid Mars transits with exhaust-modulated plasma propulsion, disponible en formato PDF en la dirección de Internet http://ston.jsc.nasa.gov/collections/TR ... 5-3539.pdf, estudia diversos escenarios de trayectos entre la Tierra y Marte, estableciendo que tránsitos de 90 días con una carga útil del 18% podrían ser habituales. Por supuesto, cabría el envío de misiones más lentas -ya tipulada, ya automática- en trayectorias de 180 días, con cargas de pago de hasta un 67% del total del vehículo (modulos de aterrizaje, combustible, rovers, sondas, etc.).

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Diseño de un vehículo tripulado impulsado por un motor de plasma
Los depósitos de hidrógeno sirven de protección contra la
radiación cósmica


Así pues, esta tecnología es una gran opción para reducir la duración de los viajes y proyectar la presencia humana más allá del sistema Tierra-Luna y de la órbita de Marte, aunque presenta algunos inconvenientes menores, como es el tiempo necesario para abandonar la órbita de un planeta. Como se indica en el documento VASIMR Plasma Rocket Tecnology (disponible en http://dma.ing.uniroma1.it/users/bruno/Petro.prn.pdf ), una nave interplanetaria de 600 toneladas dotada de un motor de este tipo, con un Isp de 30.000 segundos, una potencia eléctrica de 200 MW (similar a la generada por el reactor de un gran submarino nuclear; a efectos de comparación, una central nuclear típica genera 1.000 MW) y 22 toneladas de carga útil, tendría que describir una trayectoria en espiral alrededor de la Tierra durante 8 días (durante los que consumiría 152 toneladas de combustible) para conseguir la aceleración necesaria para inyectarse en órbita de transferencia a Marte de ¡¡un mes!! En total, el viaje al Planeta Rojo duraría 39 días.

Sin llevar las cosas a ese extremo (la razón de masas inicial sería de 27), una astronave tripulada de 188 toneladas que trasladase una una carga útil de 61 toneladas -dotada de una unidad nuclear de 12 MW-, debería trazar una órbita espiral de 30 días en torno a la Tierra para acelerar. Si activase sus motores el 6 de mayo de 2018, entraría en órbita de transferencia el 5 de junio y seguiría acelerando, pero ahora variando su potencia para conseguir un mayor impulso específico. Al cabo de 85 días (29 de agosto de 2018) habría alcanzado la órbita de Marte.

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Propuesta de un sistema VASIMR con un reactor nuclear de 50 kW
propuesto para una misión a Europa dentro de la iniciativa Prometheus


Este pequeño inconveniente, general en todos los sistemas de propulsión de alto Isp y bajo empuje, puede ser solventado mediante la idea ya comentada (ver entrega anterior) de Russell Joyner, de la empresa norteamericana Pratt&Whitney. Su propuesta consiste en construir un sistema híbrido basado en el motor térmico nuclear trimodal TRITON. El mucho mayor empuje del motor térmico sería empleado para abandonar las órbitas de la Tierra y Marte, mientras que la aceleración de la nave correría a cuenta de un sistema de propulsión eléctrico-nuclear como el VASIMR, que se alimentaría de la energía producida por el TRITON.

De cualquier modo, poder viajar a Marte en 80 días en naves reutilizables abriría las puertas no ya de la exploración del Planeta Rojo, sino de su colonización. Los riesgos derivados de la exposición a la radiación cósmica y solar se reducirían de forma drástica, así como los riesgos médicos convencionales y las necesidades logísticas. Los mismos depósitos de hidrógeno podrían servir como escudos frente a la radiación espacial.

La tecnología VASIMR es, junto con los motores térmico-nucleares y los iónicos, una de las pocas propuestas de sistemas de propulsión avanzados que ha sido puesta en el banco de pruebas. El prototipo VX-10 fue sometido a pruebas en el Advanced Space Propulsion Laboratory (ASPL) del Johnson Space Center (JSP) de la NASA bajo la dirección de su promotor, Chang-Díaz (véase al respecto la comunicación del equipo técnico a la 28th International Electric Propulsion Conference celebrada en Toulouse, Francia, en marzo de 2003, bajo el título Experimental research progress toward the VASIMR engine en http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/sup ... iepc03.pdf ). En esta imagen podemos ver las instalaciones:

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Laboratorio del VASIMR

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El VASIMR en funcionamiento

Como suele ser habitual en la NASA (obsesionada con el inútil programa de la lanzadera espacial y lastrada por la poco productiva ISS), la insuficiencia de fondos ha afectado temporalmente la continuidad de los experimentos, cuyos resultados fueron satisfactorios. Los trabajos del equipo de Chang-Díaz en este tipo de propulsión continúan y en abril de 2005 se hizo público que un equipo conjunto de la Oregon State University (OSU) y de la Western Oregon University (WOU) han desarrollado una propuesta de reactor nuclear de lecho gaseoso rotatorio (Rotating Fluidized Bed Space Reactor) algunos de cuyos elementos y conceptos serán próximamente puestos a prueba en el JSP. Se trata de un concepto de reactor nuclear compacto pensado para su uso en cohetes de plasma del tipo VASIMR.

Así pues, parece que la tecnología VASIMR tiene ante sí un brillante futuro. Es por ello que los planificadores de la misión euro-ruso-americana de 2018 consideran la propulsión de plasma como la más idonea en términos de seguridad, economía y rapidez. Por el camino se han quedado, además de los sistemas criogénicos y térmico-nucleares, otras propuestas demasiado exóticas, inmaduras o caras (véase al respecto la siguiente entrega de esta serie).

Así pues, una vez puestos de acuerdo en el presupuesto (cosa que habría costado Dios y ayuda, como suele ser habitual en estos casos), se inicia la fabricación de los elementos de dos astronaves: 1) un carguero no tripulado con una masa total de 450 toneladas que trasladará hasta la órbita de Marte una carga útil de 150 toneladas (dos módulos de aterrizaje, combustible, rovers, sondas, etc) en un vuelo de 180 días, y 2) una nave tripulada de 250 toneladas que trasladará a los 6 astronautas y una carga relativamente pequeña en un viaje de 90 días (de los que 8 serán empleados en describir una espiral de aceleración en torno a la Tierra). Las dos naves irán propulsadas por un sistema VASIMR alimentado por un reactor nuclear capaz de generar hasta 100 MW de potencia eléctrica...

En la primavera de 2017 se lanzó el primero de los 7 cohetes Energía de nueva generación -capaces de levantar 100 toneladas, pero más ligeros y con motores más eficientes que sus predecesores de los años 80- necesarios para llevar a una órbita terrestre baja cercana a la envejecida ISS los distintos módulos que componían las dos naves.

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El cohete Energía despega de la Tierra

Una vez montado y sometido a diversas pruebas, el carguero robot partió hacia Marte a principios de febrero de 2018. Tardaría seis meses en llegar a su destino. Mientras, en la mañana del 25 de abril de 2018 partió desde Rusia un cohete Angara portando un vehículo reutilizable Klipper con los seis miembros de la primera expedición marciana. Tras un breve descanso en la ISS, el mismo vehículo les trasladó al "Argos", la nave que los llevaría a Marte. Tras diversas comprobaciones, en la madrugada del 1 de mayo de 2018, la astronave comienzó a moverse bajo el impulso de sus motores de plasma. La Humanidad contempló absorta por televisión las imágenes retransmitidas desde la ISS. Al principio parecía que el "Argos " no se movía, pero pronto fue evidente que la tecnología VASIMR estaba haciendo bien su trabajo...

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Nave tripulada con tecnología
VASIMR en órbita de Marte

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Detalle de los motores de plasma

El éxito de la primera expedición tripulada marciana -que en apenas 60 días recogió una ingente cantidad de información científica, muestras geológicas y, sobre todo, media docena de fósiles de algo parecido a un diminuto trilobites recuperados de entre los secos sedimentos de lo que en tiempos fuera lago marciano- desató el entusiasmo en la Tierra. A lo largo de la década de los 20 se realizaron media docena de misiones reutilizando la "Argos" y el carguero de la misión original, con lo que los costes cayeron en picado y fue posible construir dos nuevas parejas de naves para las expediciones de los años 30.

Pero la tecnología y el afán de exploración no pueden deternerse. En 2032 se formó un consorcio internacional compuesto por las principales compañías aeroespaciales europeas, norteamericanas y rusas -respaldados a menor escala por agencias y empresas de Japón, China, India y Brasil-, con el objetivo de construir una nueva flota de cuatro grandes astronaves de 600 toneladas movidas por motores de plasma alimentados por reactores nucleares de 250 MW que pudieran trasladar a Marte a una docena de astronautas y sus respectivos equipos en 41 días (35 de ellos en órbita de transferencia). La primera de ellas, el HSSV "Enterprise", inició sus pruebas en torno a la Tierra y la Luna a mediados de 2037. Los cuatro cargueros de 1.000 toneladas tardaron sólo un poco más en ver la luz...

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El HSSV (High Speed Space Vehicle) "Enterprise" en órbita de Marte

Algunos años más tarde, en 2045, la ESA propuso a sus socios la construcción de una nueva nave tripulada de 1.000 toneladas dotada de gravedad artificial y propulsada por los más potentes motores de plasma concebidos hasta la fecha para enviar ocho astronautas al sistema joviano y explorar concienzudamente sus principales satélites. El "Discovery", sería el vehículo más rápido salido de manos humanas, pues tardaría sólo 9 meses en llegar a Júpiter... pero eso es, como suele decirse, otra historia.


Saludos y felices sueños
Última edición por Telescopio el 02 Jun 2005, 07:08, editado 1 vez en total.

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jeudy
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Mensajepor jeudy » 01 Jun 2005, 20:25

Además de la excelente información aportada en lo que se refiere a las tecnologias de propulsión (y en donde se menciona a mi compatriota Frankling Chang!!!), me ha encantado el relato de la visión a futuro!!

Ojala y sea un poco mas rapido el avance :p pues al 2045 quien sabe si vaya a estar vivo para ver esos viajes! O al menos que avance la ciencia medica y las tecnologias geneticas que nos alarguen la vida, o nos permitan meter nuestras mentes en una computadora :) :lol:

Saludos y felicidades por las entregas!!
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Jeudy Blanco
http://www.tuanisapps.com/

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