Cómo viajar a Marte

Viajar a Marte. El sueño de todos los pioneros desde el inicio de la era espacial. Sin embargo, aquí estamos en 2011, en pleno siglo XXI, y ningún ser humano ha puesto todavía un pie en Marte. Y lo que es peor, no se espera que nadie lo haga hasta dentro de muchas décadas. Se suele decir -medio en broma, medio en serio- que un viaje tripulado a Marte es como la fusión nuclear: siempre está a veinte años en el futuro. Sabemos por qué es tan difícil viajar al planeta rojo, ¿pero podemos hacerlo?

¿Veremos algún día un hombre en Marte? (Pat Rawlings).

Eligiendo el camino

Viajar a otro planeta no es fácil. O sí, según se mire. Antes de encender los motores de nuestra nave y poner rumbo a lo desconocido, debemos tener claro cómo llegar a ese punto de luz rojiza que se desplaza lentamente por el cielo terrestre. Y aquí es donde entramos en el proceloso mundo de la dinámica orbital. Un mundo complejo en el que necesitaremos la ayuda de matemáticas avanzadas -o máquinas que realicen los cálculos por nosotros- para llegar a nuestro destino.

Los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor del Sol, así que para viajar a Marte sólo tenemos que conocer en detalle las órbitas de la Tierra y del planeta rojo. Cada órbita viene determinada por seis parámetros orbitales (en un post anterior hablamos de ello en más detalle), pero para nuestro propósito sólo debemos tener en cuenta unos pocos conceptos básicos. Primero, hay que ser conscientes de que toda órbita planetaria viene definida por el perihelio y el afelio, es decir, el punto de la trayectoria más cercano y más lejano al Sol, respectivamente. Si hablamos de la Tierra, su órbita es casi circular, así que el perihelio prácticamente coincide con el afelio. No es el caso de Marte, puesto que su distancia al Sol varía significativamente, entre 206 y 249 millones de kilómetros.

Parámetros orbitales (http://www.earth-time.org/eop.html)

Segundo, debemos conocer el concepto de plano orbital. Las órbitas de Marte y la Tierra están situadas casi en el mismo plano (denominado eclíptica), pero la clave aquí es ese “casi”, porque el plano de Marte está inclinado 1,85º con respecto a la eclíptica. No parece mucho, pero hay que tener en cuenta que las maniobras de cambio de plano son las más costosas energéticamente hablando. Siempre que podamos, intentaremos evitar cambios de plano en nuestra misión. Además, hay que tener en cuenta la velocidad orbital. De nada sirve que lleguemos a Marte si nuestra velocidad es de 100 km/s con respecto al planeta. En este caso nos limitaremos a sobrevolarlo durante un breve instante de tiempo.

Pero lo más importante a la hora de llevar a cabo una misión a cualquier cuerpo del Sistema Solar es la noción de Delta-V. Este parámetro mide literalmente el cambio de velocidad (aceleración) que debemos llevar a cabo en una maniobra orbital (por ejemplo, ponerse en órbita alrededor de Marte) y es proporcional a la energía requerida para realizar dicha maniobra. Y, como puedes imaginar, esto es muy importante, porque de la Delta-V total de una misión dependen parámetros tan importantes como por ejemplo el tamaño inicial de nuestra nave o el tiempo de vuelo (en realidad, y siendo rigurosos, la energía de una misión espacial se mide en la práctica con una magnitud denominadaenergía característica o C3, pero esto es un simple detalle). Por tanto, la regla de oro de una misión a Marte es…¡minimiza tu Delta-V!

Conociendo estos principios básicos ya estamos listos para planificar nuestra misión a Marte. Sólo necesitamos conocer el presupuesto Delta-V del que disponemos, que dependerá del momento y trayectoria elegidos para nuestra misión, la masa inicial de la nave y el sistema de propulsión empleado. Veamos primero qué trayectorias podemos escoger.

Dos misiones distintas

Lo ideal sería viajar en línea recta desde nuestro planeta hasta marte, pero la Delta-V requerida para esta excursión sería monstruosa, violando la regla de oro de los viajes interplanetarios. La trayectoria de mínima energía -y Delta-V- entre dos órbitas elípticas es una órbita de transferencia de Hohmann, propuesta en 1925 por el ingeniero y matemático alemán Walter Hohmann. Pese a tener nombre un tanto rimbombante, una órbita de Hohmann no es más que una órbita elíptica común en la que el periastro (perihelio si hablamos de planetas) está situado en la órbita de partida y el apoastro (o afelio) en la de llegada (o viceversa). No hay nada misterioso en estas órbitas. Cualquier satélite de comunicaciones que es lanzado hasta la órbita geoestacionaria utiliza una órbita de Hohmann, al igual que las naves tripuladas Soyuz cuando quieren alcanzar la estación espacial internacional (ISS). La única diferencia es que en este caso la Tierra es la que se encuentra en el centro de coordenadas del sistema, no el Sol, pero las matemáticas son las mismas.

Órbita de transferencia de Hohmann (en amarillo) (Wikipedia)

Las trayectorias Hohmann a Marte son ideales para minimizar la Delta-V, pero desgraciadamente también maximizan el tiempo de vuelo de una misión. Al fin y al cabo, nadie dijo que el ahorro de energía nos iba a salir gratis. Es por eso que las órbitas Hohmann “puras” se suelen emplear para misiones no tripuladas, pero se desaconseja su empleo en viajes tripulados. Además, una misión tripulada tiene que regresar a la Tierra más tarde o temprano, así que en realidad estamos hablando de dos trayectorias, una de ida y otra de vuelta.

El caso es que ahora podemos agrupar las posibles misiones en dos tipos según su trayectoria: misiones de oposición o de conjunción. Estos conceptos son poco intuitivos, porque decimos que Marte está en oposición cuando se encuentra más cerca de la Tierra en línea recta, mientras que estará en conjunción si está al otro lado del Sol visto desde nuestro planeta. El nombre de cada tipo de misión se debe a que Marte entra en conjunción u oposición con respecto a la Tierra a mitad de cada misión respectivamente.

Tipos de misiones marcianas:oposición y conjunción (NASA).

Las misiones de conjunción requieren trayectorias con menos energía (relativamente próximas a una órbita de Hohmann ideal) y permiten visitas a la superficie del planeta rojo de 400 o 600 días de duración hasta que la Tierra y Marte se alineen de nuevo para permitir el viaje de vuelta. La duración del viaje de ida y vuelta es aproximadamente el mismo, unos seis meses, por lo que el tiempo total de la misión es de unos mil días.

Ejemplo de una misión de tipo conjunción (NASA).

Las misiones de oposición nos permiten estancias muy cortas en Marte, normalmente inferiores a un mes, y requieren maniobras con una Delta-V mayor (en realidad se necesita una maniobra de baja Delta-V a la ida combinada con otra de alta energía a la vuelta o al revés). El tiempo total de la misión es del orden de 600 días, la mayoría de ellos en el espacio interplanetario. Para reducir el tiempo de vuelo, una variante muy popular de este tipo de misión consiste en introducir un sobrevuelo de Venus en el tramo de vuelta. A cambio, la nave debe estar diseñada para soportar las temperaturas que existen a esta distancia del Sol. Este tipo de misión es muy poco eficiente. En general, suponiendo fijos el resto de parámetros, una misión de tipo oposición requerirá unas diez veces más combustible que las de tipo conjunción.

Ejemplo de misión de tipo oposición (NASA).

La elección del tipo de misión es un asunto crucial y depende de muchos parámetros. En los años 60 y 70, la mayoría de propuestas de viajes tripulados a Marte pasaban por misiones de tipo oposición a pesar de ser poco eficientes. Por entonces la prioridad era minimizar el tiempo total de la misión, ya que se creía que la tecnología de la época hacía imposible diseñar sistemas que pudiesen funcionar durante más de dos años.

Por el contrario, hoy en día casi todos los planes de misiones tripuladas a Marte utilizan un esquema de conjunción. Por un lado, puesto que el objetivo es estudiar el planeta rojo, está claro que treinta días es un tiempo insuficiente para investigar adecuadamente todo un planeta. Además, y como veremos más adelante, los riesgos de la radiación aconsejan minimizar la permanencia en el espacio interplanetario.

Apunten, listos, ¡lanzamiento!

Una vez seleccionado el tipo de misión y la trayectoria a seguir, volvemos a tener en cuenta la Delta-V. Primero, hay que saber que podemos viajar a Marte despegando desde cualquier centro espacial de la Tierra, aunque no todos tendrán “ventanas de lanzamiento” igual de favorables. Segundo, nuestra trayectoria no sólo debe interceptar la órbita de Marte, sino el planeta. Es decir, debemos elegir una órbita de tal modo que al llegar a la órbita marciana nos encontremos con nuestro objetivo. Debido al movimiento relativo entre la Tierra y Marte, las ventanas de lanzamiento idóneas -esto es, con menor Delta-V- tienen lugar cada 25 meses y medio.

Características de las órbitas marciana y terrestre (NASA).
Órbita hiperbólica de escape con respecto a la Tierra (http://www.tsgc.utexas.edu/archive/design/percival/).
Inserción en órbita marciana desde una órbita de transferencia.
Debemos tener en cuenta que Marte no se encuentra en el mismo plano orbital que la eclíptica.

Esto es así porque el año marciano dura 687 días terrestres o 669 soles (días marcianos), así que debemos esperar unos dos años a que ambos planetas se encuentren en la misma posición relativa con respecto al Sol. El problema es que la órbita de Marte es bastante excéntrica y está situada en un plano ligeramente distinto al de la eclíptica, así que no todas las ventanas de lanzamiento son iguales. Así que para elegir nuestra misión utilizamos lo que se conoce en la jerga de las misiones planetarias como “gráfico de chuleta de cerdo” (porkchop plot). Un gráfico de este tipo representa la Delta-V o las energías características (C3) requeridas para viajar a Marte en función de las fechas de lanzamiento y llegada, teniendo en cuenta que a menor Delta-V (o C3), mayor será el tiempo de vuelo. Ya sabemos que una misión tripulada no tiene necesariamente que seguir una trayectoria Hohmann pura, pero sin duda debemos planificarla con este tipo de gráficas para minimizar nuestra energía total.

Gráfica porkchop para una misión a Marte usando una trayectoria de Hohmann (NASA).

Desmenuzando la Ecuación de Tsiolkovsky y la Delta-V

Hasta ahora sólo hemos hablado de Delta-V, pero a la hora de construir nuestra nave marciana deberemos tener en cuenta la inefable ecuación del cohete o de Tsiolkovsky. Esta tiránica relación matemática obliga a cualquier vehículo espacial a transportar una cantidad enorme de combustible en proporción a su masa en seco. Es por eso que la mayor parte del peso de un cohete se debe al combustible y no a la carga útil. Para disminuir los perniciosos efectos de esta ecuación podemos hacer dos cosas: usar sistemas propulsivos muy eficientes y dividir nuestra nave en fases que se irán desprendiendo a medida que avanza la misión.

Todos los cohetes actuales utilizan sistemas de propulsión basados en combustibles líquidos. No es una mala elección si queremos viajar desde la superficie de la Tierra hasta la órbita baja, pero no es tan buena cuando se trata de ir a otros planetas. Analicemos por qué.

Veamos, la Delta-V total de una misión a Marte es de unos 40 km/s, correspondientes a la suma de las diferentes Delta-V requeridas en cada parte de la misión. La primera parte consiste en alcanzar la órbita baja (LEO), para lo cual se requiere una Delta-V de 9,4 km/s (la velocidad orbital es de unos 8 km/s, pero tenemos que tener en cuenta la energía necesaria para vencer el campo gravitatorio terrestre, de ahí la discrepancia en las cifras). Después tendremos que alcanzar la velocidad de escape (TMI, Trans-Mars Injection), o lo que es lo mismo, situarnos en una órbita hiperbólica con respecto a al Tierra o de Hohmann con respecto al Sol.

Para alcanzar Marte desde LEO, la Delta-V mínima (o sea, una órbita de Hohmann) de esta maniobra es de 3,9 km/s. Podemos aumentarla si queremos llegar antes al planeta rojo, eso sí, a cambio de aumentar la masa de nuestra nave. Meses después, la siguiente parte de la misión consistirá en situarnos en una órbita baja alrededor de Marte (LMO,Low Mars Orbit), lo que requiere una Delta-V total de 2,5 km/s. Por último, para el descenso a la superficie marciana necesitaremos una Delta-V de 4,1 km/s. En la trayectoria de vuelta TEI, Trans-Earth Injection), la Delta-V de cada etapa es muy similar, aunque debemos tener en cuenta que el ascenso desde la superficie marciana nos costará un poco más (4,3 km/s).

Presupuesto Delta-V de las distintas fases de una misión a Marte (NASA).

En la práctica, todas estas cifras pueden variar ligeramente dependiendo de las características específicas de cada misión y de si tenemos o no en cuenta determinados fenómenos como el Efecto Oberth o las pérdidas gravitatorias, pero sirven para hacernos una idea bastante precisa. De utilizar combustibles químicos en cada fase, la masa inicial de nuestra nave en órbita baja debería alcanzar las 4500 toneladas, o lo que es lo mismo, necesitaríamos 37 lanzamientos de un cohete gigante como el Saturno V para llevar a cabo una sola misión a Marte.

Por suerte, no es necesario utilizar combustible para todas estas fases de la misión. La naturaleza nos ha facilitado un poquito las cosas. Así, por ejemplo, para el regreso a la Tierra desde Marte podemos emplear la atmósfera terrestre para frenar nuestra velocidad. Y lo mismo para la entrada en la atmósfera marciana. Pero debemos tener en cuenta que estos atajos no nos salen totalmente “gratis”, puesto que debemos tener en cuenta la masa de los escudos térmicos y paracaídas correspondientes.

Sea como sea, si utilizamos propulsión química para cada parte de la misión (salvo el regreso a la Tierra y parte del descenso a la superficie de Marte), la masa mínima de nuestra nave en las distintas partes de la misión tendrá un aspecto tal que así:

Como se puede apreciar, la mayor parte de la masa del vehículo se corresponde con el combustible necesario para abandonar la órbita de la Tierra y situarse alrededor de una órbita marciana. Actualmente se considera que la masa inicial mínima de una misión a Marte con propulsión química rondaría las 850 toneladas. Esta reducción se consigue usando varias tecnologías avanzadas tales como propulsión criogénica (hidrógeno y oxígeno líquidos), aerocaptura en la atmósfera de Marte o el uso de las materias primas marcianas para sintetizar combustible, oxígeno y agua (ISRU, In Situ Resource Utilization). Por último, también tendremos que separar nuestra expedición en naves de carga y vehículos tripulados para reducir la masa de partida.

Una futura nave marciana tripulada realiza la maniobra de aerocaptura en la atmósfera de Marte para ahorrar combustible (NASA).

Más allá de la propulsión química

850 toneladas siguen siendo muchas toneladas para una misión a Marte. A pesar de ser una cifra sensata, seguiríamos necesitando siete lanzamientos de un cohete gigante para realizar una sola misión. ¿Posible?, sin duda, pero no estamos en los años 60 e imitar al programa Apolo no es una buena idea. Debemos ser un poco más modestos.

La única solución pasa por introducir sistemas de propulsión avanzados y eficientes -o sea, con mayor impulso específico (Isp)- que reduzcan el tamaño inicial de nuestra nave. A este respecto, la propulsión nuclear térmica (NTP, Nuclear Thermal Propulsion) y eléctrica (SEP/NEP, Solar/Nuclear Electric Propulsion) son las mejores opciones. La propulsión nuclear térmica consiste en el uso de reactores nucleares para acelerar una sustancia propelente (normalmente hidrógeno o metano). Los motores de este tipo tienen un impulso específico mayor que el alcanzado con motores de combustible líquido, aunque la ventaja depende mucho del sistema concreto. Durante finales de los años 60 se propusieron en los EEUU varias misiones a Marte que usaban motores nucleares térmicos de tipo NERVA, aunque finalmente fueron descartadas.

 Diferentes sistemas de propulsión en función de su impulso específico (isp) y empuje (NASA)

Propuesta de misión a Marte de finales de los 60 usando motores nucleares térmicos de tio NERVA (NASA).

La propulsión eléctrica se basa en motores iónicos o de plasma, de muy bajo empuje pero con un altísimo impulso específico. El problema es que este tipo de propulsión requiere una enorme potencia eléctrica que sólo puede generarse mediante un gigantesco conjunto de paneles solares.

Una solución intermedia consiste en usar reactores nucleares para alimentar los motores iónicos, eliminando la dependencia de los paneles solares. Con un poquito de ingenio, el reactor nuclear podría usarse de forma híbrida, es decir, también serviría como motor nuclear térmico en las fases que requiriesen mayor Delta-V, dejando los motores iónicos para el resto de la misión.

Propuesta de nave de propulsión eléctrica de General Electric de finales de los años 60 con gravedad artificial (NASA).
Proyecto soviético de los años 80 de nave marciana con propulsión nuclear eléctrica (RKK Energía).
Reactor nuclear Yenisey (TOPAZ-2) para misiones espaciales con una potencia térmica de 135 kW (5,5 kW eléctricos) (Novosti Kosmonavtiki).
Propuestas actuales de naves marcianas con NEP.
Si en vez de reactores nucleares usamos propulsión solar eléctrica (SEP), los paneles solares deben ser enormes (RKK Energía)

Usando propulsión nuclear eléctrica o híbrida, todos los estudias indican que podemos rebajar la masa inicial de una misión a Marte por debajo de las 500 toneladas, lo que requeriría sólo cuatro lanzamientos de un cohete gigante tipo Saturno V. No obstante, la ventaja de la SEP o la NEP con respecto a los combustibles criogénicos es mucho mayor en misiones de tipo oposición que en las de tipo conjunción, preferidas actualmente por la comunidad internacional.

En los últimos años, el sistema de propulsión de plasma de impulso específico variable, más conocido como VASIMR, ha cobrado cierta popularidad, pero lo cierto es que este concepto todavía debe demostrar su valía. Además, el altísimo consumo energético del VASIMR obliga a su uso conjunto con reactores nucleares, de ahí que surja la duda si no es más fácil usar directamente sistemas de propulsión iónicos -de probada eficacia- antes que decantarse por este complejo sistema. Otra alternativa a corto plazo podrían ser los motores nucleares térmicos alternativos, como el denominado Motor de Rubbiau otros similares.

La propulsión nuclear (eléctrica/térmica) permite rebajar la masa total de la nave a menos de 500 toneladas en LEO.
Como vemos, la misiones con NTP requieren una masa inicial mucho menor que las químicas. Sólo la propulsión eléctrica supera en ocasiones a la NTR. Sin embargo, la diferencia es máxima en las misiones de tipo oposición y no es tan llamativa en las de tipo conjunción (NASA).

La última arquitectura de misión marciana de la NASA, DRM 5.0, incluye naves con aerocaptura y motores nucleares térmicos y “sólo” requiere siete lanzamientos de un cohete gigante (NASA).
La primera tripulación en Marte regresa a la Tierra en una nave enviada previamente sin combustible. El combustible (metano) sería obtenido a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana (NASA).
Proyecto de nave marciana con propulsión híbrida nuclear eléctrica y química (NASA/General Electric).

Los peligros de Marte

Además de posibles accidentes de todo tipo, los futuros exploradores de Marte se enfrentarán principalmente a dos amenazas principales, la ingravidez y la radiación. El cuerpo humano no está diseñado para vivir durante largas temporadas en el espacio. Descalcificación o atrofia muscular son dos de los inconvenientes de pasar una larga temporada en gravedad cero.

Sin embargo, en las últimas décadas hemos aprendido a vivir de forma rutinaria en el espacio. Hoy en día las tripulaciones de la ISS vuelven a casa en buena forma tras pasar seis meses en el espacio, una escala de tiempo que coincide precisamente con la duración del trayecto de ida o vuelta a Marte en una misión de tipo conjunción. Por si fuera poco, Valeri Poliakov demostró en los años 90 que es posible permanecer 14 meses en órbita y regresar para contarlo. Resumiendo, los efectos de la ingravidez son un problema, sí, pero no es un impedimento serio para una misión a Marte.

Valeri Polyakov permaneció 14 meses en la Mir.

Otro asunto muy distinto es la radiación. Si elegimos una misión de tipo conjunción podremos minimizar el tiempo de vuelo interplanetario a un año, disminuyendo la dosis recibida por la tripulación de forma considerable con respecto a una misión de tipo oposición. Pero aún así deberemos enfrentarnos a dos fuentes de radiación potencialmente letales. Una de estas fuentes son las tormentas solares de tipo SPE (Solar Proton Event), grandes emisiones de protones de alta energía provenientes de nuestra estrella. Es imposible saber cuándo va a tener lugar una SPE, pero son más frecuentes durante el máximo de actividad solar. Una forma de evitarlas es por tanto lanzar nuestra misión en pleno mínimo del ciclo solar, además de incorporar un refugio especial dentro de la nave que pueda proteger parcialmente a los astronautas durante un fenómeno de este tipo.

Dosis de radiación diarias recibidas en varias misiones. Los puntos verdes son las misiones Apolo. Se puede ver como las misiones en LEO con alturas e inclinaciones elevadas pueden sufrir dosis de radiación similares a las del Apolo (NASA).

El otro peligro son los rayos cósmicos. Aunque a priori menos dañinos que los SPE, se desconoce el efecto a largo plazo de los iónes pesados que forman esta radiación. Estas partículas relativistas crean una cascada de partículas secundarias al chocar contra las paredes de la nave, sometiendo a la tripulación a dosis de radiación difíciles de diagnosticar. Desgraciadamente, se da la casualidad que durante el mínimo de actividad solar el flujo de rayos cósmicos es máximo. Eso sí, una vez en Marte, la tenue atmósfera marciana y la masa del planeta reducirán las dosis de radiación hasta niveles tolerables siempre y cuando nuestra base no esté sitiada a gran altura. Lo que está claro es que antes de ir a Marte necesitamos desarrollar blindajes -tanto activos como pasivos- y comprender mejor cómo afectan a la salud los rayos cósmicos pesados. De no hacerlo, la dosis recibida por cada tripulante excederá con creces los límites actuales estipulados por la NASA y otras agencias espaciales.

Dosis de radiación en la superficie marciana debidas a los rayos cósmicos. Las regiones más altas son las menos protegidas, al estar situadas fuera de la atmósfera (NASA).

¿Hasta cuándo esperaremos?

Como hemos visto, un viaje tripulado a Marte entra dentro de las posibilidades de la tecnología actual. Por supuesto que no será ni fácil ni barato, pero lo único que nos impide llevar a cabo el viaje más grande de la historia son motivos políticos. Por ahora no hay ningún plan oficial para visitar el planeta rojo, pero quién sabe, quizás dentro de veinte años las cosas cambien.

Un explorador examina las rocas de un cañón marciano. ¿Veremos algo así antes del final de siglo?

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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