La captura balística, un método de baja energía que ha puesto naves espaciales en órbita lunar, podría ayudar a la Humanidad visitar el planeta rojo mucho más a menudo
Llevar una nave espacial a Marte es bastante complicado. Los costos de transporte pueden elevarse a cientos de millones de dólares, incluso se debe despegar durante las «ventanas de lanzamiento«: las alineaciones orbitales óptimas de la Tierra y Marte que sólo ocurren alrededor de cada 26 meses. ¿El gran aportante a esta situación? Las llegadas al Planeta Rojo, que son para poner los pelos de punta. Una nave espacial lanzada a muchos miles de kilómetros por hora tiene que pisar el freno con fuerza, disparando retrocohetes para ponerse en órbita. Este encendido puede requerir cientos de kilogramos de combustible extra, llevados con gran costo desde la Tierra, y viene aparejado con una cierta probabilidad de fracaso que podría enviar a la nave a pasarse a toda velocidad o a ponerla, incluso, en curso directo hacia Marte.
Este método de fuerza bruta para alcanzar la órbita, llamada transferencia de Hohmann, le ha servido suficientemente bien a las agencias espaciales que históricamente han contado con grandes fondos. Pero en una época de restricciones presupuestarias el precio de la transferencia de Hohmann y su riesgo inherente es una limitación.
Ahora una nueva investigación establece una forma más suave y segura para alcanzar la órbita marciana, sin estar limitados por las ventanas de lanzamiento o vaciar las cuentas bancarias. Llamada captura balística, podría ayudar a abrir la frontera marciana para más misiones robóticas, futuras expediciones tripuladas, e incluso esfuerzos de colonización. «Es una revelación», dice James Green, director de la División de Ciencias Planetarias de la NASA. «Podría ser un paso bastante grande para nosotros, y realmente nos ahorra recursos y espacio, que es lo que siempre estamos buscando.»
La premisa de una captura balística: en lugar de disparar hacia la ubicación orbital en la que Marte estará cuando la nave espacial se le reúna, como se hace convencionalmente con las transferencias de Hohmann, se lanza una nave espacial hacia la órbita de Marte como para que vuele por delante del planeta. Aunque los costos de lanzamiento y de viaje siguen siendo los mismos, en el escenario no Hohmann se elimina el gran disparo de retrocohetes y la necesidad de dar exactamente en el blanco en Marte. Para la captura de balística, la nave navega un poco más lento que el propio Marte mientras el planeta sigue su giro orbital alrededor del Sol. Marte finalmente arrastra a la nave espacial, enganchándola gravitacionalmente en una órbita planetaria. «Esa es la magia de la balística de captura, es como volar en formación», dice Edward Belbruno, investigador asociado visitante en la Universidad de Princeton y co-autor, junto con Francesco Topputo de la Universidad Politécnica de Milán, de un documento que detalla el nuevo camino a Marte y la física que implica. El documento, publicado en arXiv, se ha presentado a la revista Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy.
«Una danza delicada»
La captura balística, también llamada transferencia de baja energía, no es en sí misma una idea nueva. Cuando estaba en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA un cuarto de siglo atrás, Belbruno expuso el método de inserción orbital que ahorra combustible y costo para llevar sondas a la Luna. Una nave japonesa, llamada Hiten, lo aprovechó por primera vez en 1991, al igual que la misión GRAIL de la NASA, lanzada en 2011.
Belbruno elaboró la manera de hacer que las gravedades en competencia de la Tierra, el Sol y la Luna tiren suavemente de una nave espacial para ponerla en la órbita lunar deseada. Los tres cuerpos pueden ser considerados como creadores de unas depresiones en forma de cuenco en el espacio-tiempo. Alineando la trayectoria de una nave espacial a través de esos cuencos, de modo que el impulso cede lo largo del camino, una nave espacial puede, simplemente, «rodar» por fin hasta el cuenco pequeño de la Luna, entrando en órbita sin utilizar combustible. «Es una danza delicada,» dice Belbruno.
Desafortunadamente, obener una maniobra similar en Marte (o en cualquier otro lugar) parecía imposible porque la velocidad del planeta rojo es mucho mayor que la de la Luna. Parecía no haber manera de conseguir que una nave espacial frenara lo suficiente para deslizarse en la depresión gravitatoria en el espacio-tiempo de Marte debido a que el «cuenco» —que no es tan profundo, para empezar—, era en sí mismo un objetivo en movimiento demasiado rápido. «Me di por vencido en esto», dice Belbruno.
Sin embargo, cuando fue consultado recientemente por Boeing Corp., la principal contratista para el Sistema de Lanzamiento Espacial de la NASA, que está destinado a llevar a la humanidad a Marte, Belbruno, Topputo y sus colegas tropezaron con una idea: ¿Por qué no ir cerca de Marte llevado por la corriente? La navegación de un vehículo espacial en una trayectoria orbital en cualquier lugar a un millón a incluso decenas de millones de kilómetros más adelante del Planeta Rojo haría posible que Marte (y su cuenco gravitatorio de espacio-tiempo) facilitara la aproximación de la nave, y posteriormente permitiera que la nave fuese capturada balísticamente. La empresa Boeing, intrigada por este nuevo camino hacia Marte, financió el estudio, en el que los autores pusieron a calcular algunos números y desarrollaron modelos para la captura.
Expandiendo nuestros horizontes marcianos
La captura balística no es la única técnica de ahorro de combustible para entrar en órbita. En otro enfoque, llamado aerocaptura, la nave espacial que llega se sumerge en la atmósfera marciana y deja que la fricción se «coma» algo de su exceso de velocidad, en lugar de depender exclusivamente de un gran encendido de combustible para lograrlo. Este método, sin embargo, requiere un pesado protector de calor, que añade masa extra y por lo tanto agrega costo en el despegue, compensando el ahorro en combustible con respecto a una transferencia de Hohmann a la llegada. La captura balística, dice Topputo, es «más lenta y más suave.»
Por lo tanto, la captura balística ofrece muchas ventajas sobre los enfoques actuales para arriba a Marte. Además de evitar el alto consumo de combustible de una transferencia Hohmann, por ejemplo, se reduce el peligro para la nave porque ella ya no debe desacelerar en «el tamaño de una moneda de diez centavos» que es la ajustada ventana hacia Marte, correr el riesgo de pasarse o golpear contra su destino. El enfoque también reduce en un 25 por ciento la necesidad de combustible para el viaje en general, dice Belbruno, en una estimación aproximada. Esa reducción se podría utilizar para ahorrar dinero, pero también podría, a cambio, permitir cargas útiles más grandes a precios comparables. Llevar más masa a la órbita marciana entonces puede significar tener más vehículos robóticos, más suministros o lo que usted lleve a la superficie. «Lo que queremos es hacer apalancamiento [captura balística] para poner más masa en el suelo», dice Green. «Ese es el sueño.»
Evitar la necesidad de enviar el cohete durante las escasas ventanas de lanzamiento también sería una gran cosa, porque los retrasos en el lanzamiento son muy frecuentes. Pasarse una ventana puede significar dejar es espera una misión a Marte durante dos años, más el desperdicio de los costos de preparación del lanzamiento.
¿Para robots tanto como cuerpos?
La captura balística viene junto a un montón de advertencias, por supuesto. Un tiro recto con frenado brusco en Marte lleva alrededor de seis meses, mientras que un viaje que dependa de la captura balística llevaría un adicional de varios meses. La altitud de captura sin encendido de combustible también es bastante elevada, unos 20.000 kilómetros sobre Marte, mucho más allá de donde fueron instalados los satélites científicos para escudriñar el planeta de cerca. Pero llevando un poco de combustible extra, entonces se puede bajar con suavidad una nave espacial en forma balística colocándola dentro de órbitas estándar científicamente valiosas, de unos 100 a 200 kilómetros, como las logrados con las transferencias Hohmann, o incluso seguir adelante hacia la superficie marciana para un aterrizaje.
Para las misiones tripuladas, la transferencia balística sería un arma de doble filo. Por un lado, al reto de transportar personas a Marte se sumaría el de viajes más extensos. Ya estamos preocupados por los exploradores con destino a Marte volviéndose locos al estar apretados dentro de una lata durante seis meses, por no hablar de «empaparse» inaceptablemente de altas dosis de radiación del espacio. Por esa razón, las misiones robóticas parecen ser las primeras beneficiarias potenciales de las nuevas transferencias de bajo consumo de Belbruno y de Topputo.
Por otro lado, debido a que desaparece la necesidad de engancharse con las ventanas de lanzamiento, la captura balística podría mantener un flujo constante de suministros hacia el planeta. Cualquier esfuerzo de habitar Marte por un tiempo extenso probablemente dependerá de material de la Tierra, por lo menos hasta que se establezca una agricultura y manufactura autosuficientes. «La captura balística sería una buena manera de enviar suministros a Marte antes de la misión tripulada», dice Belbruno, «o como parte de una [misión]».
James Green, de la NASA, está de acuerdo. «Esto [la técnica de captura de balística] no sólo podría aplicarse aquí para el logro robótico, sino también para la exploración humana final», dice. En consecuencia, Green organizó en octubre una nueva charla de Belbruno con el personal del Centro Espacial Johnson de la agencia acerca de cómo las misiones tripuladas podrían explotar el concepto.
Incluso más cerca en el camino, la captura balística sería perfecta —dice Belbruno— para colocar satélites en órbitas «areoestacionarias», lo mismo que geoestacionarias sólo que en Marte (también conocidas como Ares). El resultado: ¿redes marcianas de Internet y de telefonía celular para todos? Si la nueva transferencia de baja energía funciona en Marte, podría, en teoría, también ampliarse para llevar material a granel a cualquier mundo en el Sistema Solar.
Es cierto que la investigación de este potencial avance todavía está en una fase inicial, teórica. El trabajo en curso incluye la reelaboración de los cálculos de la física factorizando influencias más pequeñas en una nave espacial con destino a Marte que la atracción de la gravedad del propio Marte, como la atracción gravitacional de Júpiter. Green de la NASA dijo que prevé que la agencia querrá probar las transferencias de captura balísticas en Marte en la década de 2020.
Belbruno tiene sus dedos cruzados. «Se pensaba que el camino a la Luna que encontré en 1991 era, quizás, la única aplicación de mi teoría», dijo. «Estoy muy entusiasmado con este resultado marciano.»
Fuente: Scientific American. Aportado por Eduardo J. Carletti
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