Vuelo espacial interplanetario

Vuelo espacial interplanetario o viaje interplanetario es el viaje tripulado o no tripulado entre estrellas y planetas, generalmente dentro de un solo sistema planetario. En la práctica, los vuelos espaciales de este tipo se limitan a viajar entre los planetas del Sistema Solar. Las sondas espaciales no tripuladas han volado a todos los planetas observados en el Sistema Solar, así como a los planetas enanos Plutón y Ceres, y varios asteroides. Los orbitadores y módulos de aterrizaje devuelven más información que las misiones de sobrevuelo. Vuelos tripulados han aterrizado en la Luna y se han planeado, de vez en cuando, para Marte, Venus y Mercurio. Si bien muchos científicos aprecian el valor del conocimiento que brindan los vuelos no tripulados, el valor de las misiones tripuladas es más controvertido. Los escritores de ciencia ficción proponen una serie de beneficios, incluida la extracción de asteroides, el acceso a la energía solar y espacio para la colonización en caso de una catástrofe terrestre.

Se han desarrollado varias técnicas para hacer que los vuelos interplanetarios sean más económicos. Los avances en informática y ciencia teórica ya han mejorado algunas técnicas, mientras que las nuevas propuestas pueden conducir a mejoras en la velocidad, el ahorro de combustible y la seguridad. Las técnicas de viaje deben tener en cuenta los cambios de velocidad necesarios para viajar de un cuerpo a otro en el Sistema Solar. Para vuelos orbitales, se debe realizar un ajuste adicional para que coincida con la velocidad orbital del cuerpo de destino. Otros desarrollos están destinados a mejorar el lanzamiento y la propulsión de cohetes, así como el uso de fuentes de energía no tradicionales. El uso de recursos extraterrestres para energía, oxígeno y agua reduciría los costos y mejoraría los sistemas de soporte vital.

Cualquier vuelo interplanetario tripulado debe incluir ciertos requisitos de diseño. Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de soportar vidas humanas durante largos períodos de tiempo. Se necesitan medidas preventivas para reducir la exposición a la radiación y garantizar una fiabilidad óptima.

Logros actuales en viajes interplanetarios

Las llanuras de Plutón, como se ve Nuevos Horizontes después de su viaje de casi 10 años

Las sondas espaciales guiadas de forma remota han sobrevolado todos los planetas observados del Sistema Solar desde Mercurio hasta Neptuno, con la sonda New Horizons sobrevolando el planeta enano Plutón y la nave espacial Dawn que actualmente orbita el planeta enano Ceres. Las naves espaciales más lejanas, Voyager 1 y Voyager 2, abandonaron el Sistema Solar el 8 de diciembre de 2018, mientras que Pioneer 10, Pioneer 11 y New Horizons están en camino de dejarlo.

En general, los orbitadores y módulos de aterrizaje planetarios devuelven información mucho más detallada y completa que las misiones de sobrevuelo. Se han puesto en órbita sondas espaciales alrededor de los cinco planetas conocidos por los antiguos: el primero es Venus (Venera 7, 1970), Marte (Mariner 9, 1971), Júpiter (Galileo, 1995), Saturno (Cassini/Huygens, 2004) y, más recientemente, Mercurio (MESSENGER, marzo de 2011), y han devuelto datos sobre estos cuerpos y sus satélites naturales.

La misión NEAR Shoemaker en 2000 orbitó el gran asteroide cercano a la Tierra 433 Eros e incluso aterrizó allí con éxito, aunque no se había diseñado con esta maniobra en mente. La nave espacial japonesa de propulsión iónica Hayabusa en 2005 también orbitó el pequeño asteroide cercano a la Tierra 25143 Itokawa, aterrizó brevemente en él y devolvió granos de su material superficial a la Tierra. Otra misión impulsada por iones, Dawn, ha orbitado el gran asteroide Vesta (julio de 2011 - septiembre de 2012) y luego se trasladó al planeta enano Ceres, donde llegó en marzo de 2015.

Los módulos de aterrizaje controlados a distancia, como Viking, Pathfinder y los dos Mars Exploration Rovers, han aterrizado en la superficie de Marte y varias naves espaciales Venera y Vega han aterrizado en la superficie de Venus. La sonda Huygens aterrizó con éxito en la luna de Saturno, Titán.

No se han enviado misiones tripuladas a ningún planeta del Sistema Solar. El programa Apolo de la NASA, sin embargo, llevó a doce personas a la Luna y las devolvió a la Tierra. La visión estadounidense para la exploración espacial, presentada originalmente por el presidente estadounidense George W. Bush y puesta en práctica a través del programa Constellation, tenía como objetivo a largo plazo enviar astronautas humanos a Marte. Sin embargo, el 1 de febrero de 2010, el presidente Barack Obama propuso cancelar el programa en el año fiscal 2011. Un proyecto anterior que recibió una planificación significativa por parte de la NASA incluía un sobrevuelo tripulado de Venus en la misión Tripulada Venus Flyby, pero fue cancelado cuando el El programa de aplicaciones Apollo se canceló debido a los recortes presupuestarios de la NASA a fines de la década de 1960.

Razones para los viajes interplanetarios

Colonia espacial en el cilindro O'Neill

Los costos y el riesgo de los viajes interplanetarios reciben mucha publicidad; ejemplos espectaculares incluyen el mal funcionamiento o fallas completas de sondas sin tripulación humana, como Mars 96, Deep Space 2 y Beagle 2 (el artículo List of Solar System sondas da una lista completa).

Muchos astrónomos, geólogos y biólogos creen que la exploración del Sistema Solar proporciona conocimientos que no podrían obtenerse mediante observaciones desde la superficie de la Tierra o desde la órbita alrededor de la Tierra. Pero no están de acuerdo sobre si las misiones tripuladas por humanos hacen una contribución científica útil: algunos piensan que las sondas robóticas son más baratas y seguras, mientras que otros argumentan que los astronautas o los científicos que viajan al espacio, asesorados por científicos en la Tierra, pueden responder de manera más flexible e inteligente a nuevos o características inesperadas de la región que están explorando.

Es más probable que los que pagan por tales misiones (principalmente en el sector público) estén interesados en los beneficios para ellos o para la raza humana en su conjunto. Hasta ahora los únicos beneficios de este tipo han sido "spin-off" tecnologías que se desarrollaron para misiones espaciales y luego se descubrió que eran al menos igual de útiles en otras actividades (NASA publicita los productos derivados de sus actividades).

Otras motivaciones prácticas para los viajes interplanetarios son más especulativas, porque nuestras tecnologías actuales aún no están lo suficientemente avanzadas para respaldar proyectos de prueba. Pero los escritores de ciencia ficción tienen un historial bastante bueno en la predicción de tecnologías futuras, por ejemplo, satélites de comunicaciones geosíncronos (Arthur C. Clarke) y muchos aspectos de la tecnología informática (Mack Reynolds).

Muchas historias de ciencia ficción presentan descripciones detalladas de cómo las personas pueden extraer minerales de los asteroides y energía de fuentes que incluyen paneles solares orbitales (sin obstáculos de nubes) y el fuerte campo magnético de Júpiter. Algunos señalan que tales técnicas pueden ser la única forma de aumentar los niveles de vida sin que la contaminación o el agotamiento de los recursos de la Tierra (por ejemplo, el pico del petróleo) los detenga.

Finalmente, colonizar otras partes del Sistema Solar evitaría que toda la especie humana fuera exterminada por cualquiera de una serie de eventos posibles (ver Extinción humana). Uno de estos posibles eventos es el impacto de un asteroide como el que puede haber resultado en el evento de extinción del Cretácico-Paleógeno. Aunque varios proyectos de Spaceguard monitorean el Sistema Solar en busca de objetos que puedan acercarse peligrosamente a la Tierra, las estrategias actuales de desviación de asteroides son toscas y no probadas. Para hacer la tarea más difícil, las condritas carbonáceas son bastante hollín y, por lo tanto, muy difíciles de detectar. Aunque se cree que las condritas carbonáceas son raras, algunas son muy grandes y el presunto "asesino de dinosaurios" pudo haber sido una condrita carbonosa.

Algunos científicos, incluidos miembros del Instituto de Estudios Espaciales, argumentan que la gran mayoría de la humanidad eventualmente vivirá en el espacio y se beneficiará de ello.

Técnicas económicas de viaje

Uno de los principales desafíos en los viajes interplanetarios es producir los grandes cambios de velocidad necesarios para viajar de un cuerpo a otro en el Sistema Solar.

Debido a la atracción gravitacional del Sol, una nave espacial que se aleja del Sol disminuirá su velocidad, mientras que una nave espacial que se acerque aumentará su velocidad. Además, dado que dos planetas cualesquiera están a diferentes distancias del Sol, el planeta del que parte la nave espacial se mueve alrededor del Sol a una velocidad diferente que el planeta al que viaja la nave espacial (de acuerdo con la Tercera Ley de Kepler).). Debido a estos hechos, una nave espacial que desee trasladarse a un planeta más cercano al Sol debe disminuir en gran medida su velocidad con respecto al Sol para interceptarlo, mientras que una nave espacial que viaje a un planeta más alejado del Sol debe aumentar su velocidad. sustancialmente su velocidad. Luego, si además la nave espacial desea entrar en órbita alrededor del planeta de destino (en lugar de simplemente volar junto a él), debe igualar la velocidad orbital del planeta alrededor del Sol, lo que generalmente requiere otro gran cambio de velocidad.

Hacer esto simplemente por la fuerza bruta (acelerar en la ruta más corta hacia el destino y luego igualar la velocidad del planeta) requeriría una cantidad extremadamente grande de combustible. Y el combustible necesario para producir estos cambios de velocidad debe lanzarse junto con la carga útil y, por lo tanto, se necesita aún más combustible para poner en órbita tanto la nave espacial como el combustible necesario para su viaje interplanetario. Por lo tanto, se han ideado varias técnicas para reducir los requisitos de combustible de los viajes interplanetarios.

Como ejemplo de los cambios de velocidad involucrados, una nave espacial que viaja desde la órbita terrestre baja a Marte usando una trayectoria simple primero debe experimentar un cambio en la velocidad (también conocido como delta-v), en este caso un aumento, de aproximadamente 3,8 km/s. Luego, después de interceptar a Marte, debe cambiar su velocidad en otros 2,3 km/s para igualar a Marte' velocidad orbital alrededor del Sol y entrar en una órbita alrededor de él. A modo de comparación, el lanzamiento de una nave espacial a la órbita terrestre baja requiere un cambio de velocidad de unos 9,5 km/s.

Transferencias de Hohmann

Hohmann Transfer Orbit: una nave espacial sale del punto 2 en la órbita de la Tierra y llega al punto 3 en Marte (no a escala)

Durante muchos años, los viajes interplanetarios económicos significaron usar la órbita de transferencia de Hohmann. Hohmann demostró que la ruta de energía más baja entre dos órbitas es una 'órbita' elíptica. que forma una tangente a las órbitas de partida y de destino. Una vez que llegue la nave espacial, una segunda aplicación de empuje recircularizará la órbita en la nueva ubicación. En el caso de las transferencias planetarias, esto significa dirigir la nave espacial, originalmente en una órbita casi idéntica a la de la Tierra, de modo que el afelio de la órbita de transferencia esté en el lado más alejado del Sol, cerca de la órbita del otro planeta. Una nave espacial que viaje de la Tierra a Marte a través de este método llegará cerca de la órbita de Marte en aproximadamente 8,5 meses, pero debido a que la velocidad orbital es mayor cuando está más cerca del centro de masa (es decir, el Sol) y más lenta cuando está más lejos del centro, la nave espacial estará viajando muy lentamente y una pequeña aplicación de empuje es todo lo que se necesita para ponerlo en una órbita circular alrededor de Marte. Si la maniobra se realiza en el momento adecuado, Marte estará "llegando" debajo de la nave espacial cuando esto suceda.

La transferencia de Hohmann se aplica a dos órbitas cualesquiera, no solo a aquellas con planetas involucrados. Por ejemplo, es la forma más común de transferir satélites a la órbita geoestacionaria, después de haber estado "estacionados" primero. en órbita terrestre baja. Sin embargo, la transferencia de Hohmann toma una cantidad de tiempo similar a la mitad del período orbital de la órbita exterior, por lo que en el caso de los planetas exteriores son muchos años, demasiado tiempo para esperar. También se basa en la suposición de que los puntos en ambos extremos no tienen masa, como en el caso de la transferencia entre dos órbitas alrededor de la Tierra, por ejemplo. Con un planeta en el extremo de destino de la transferencia, los cálculos se vuelven considerablemente más difíciles.

Slingshot gravitacional

Ejemplo simplificado de una instantánea gravitacional: la velocidad de la nave espacial cambia hasta el doble de la velocidad del planeta

Parcela de Voyager 2's velocidad heliocéntrico contra su distancia del Sol, ilustrando el uso de la gravedad ayuda a acelerar la nave espacial por Júpiter, Saturno y Urano. Para observar a Triton, Voyager 2 pasó sobre el polo norte de Neptune dando como resultado una aceleración del plano de la eclíptica y la velocidad reducida lejos del Sol.

La técnica de la honda gravitatoria utiliza la gravedad de los planetas y las lunas para cambiar la velocidad y la dirección de una nave espacial sin usar combustible. En un ejemplo típico, una nave espacial se envía a un planeta distante en un camino que es mucho más rápido que lo que requeriría la transferencia Hohmann. Esto normalmente significaría que llegaría a la órbita del planeta y continuaría más allá. Sin embargo, si hay un planeta entre el punto de partida y el objetivo, se puede usar para desviar la ruta hacia el objetivo y, en muchos casos, el tiempo total de viaje se reduce considerablemente. Un excelente ejemplo de esto son las dos naves del programa Voyager, que utilizaron efectos de tirachinas para cambiar de trayectoria varias veces en el Sistema Solar exterior. Es difícil usar este método para viajes en la parte interior del Sistema Solar, aunque es posible usar otros planetas cercanos como Venus o incluso la Luna como tirachinas en viajes a los planetas exteriores.

Esta maniobra solo puede cambiar la velocidad de un objeto en relación con un tercer objeto no involucrado, posiblemente el "centro de masa" o el Sol. No hay cambio en las velocidades de los dos objetos involucrados en la maniobra entre sí. El Sol no se puede utilizar en una honda gravitatoria porque es estacionario en comparación con el resto del Sistema Solar, que orbita alrededor del Sol. Puede usarse para enviar una nave espacial o una sonda a la galaxia porque el Sol gira alrededor del centro de la Vía Láctea.

Tirachinas motorizada

Una honda motorizada es el uso de un motor de cohete en o alrededor de la aproximación más cercana a un cuerpo (periapsis). El uso en este punto multiplica el efecto del delta-v, y da un efecto mayor que en otros momentos.

Órbitas difusas

Las computadoras no existían cuando se propusieron por primera vez las órbitas de transferencia de Hohmann (1925) y eran lentas, costosas y poco confiables cuando se desarrollaron las hondas gravitacionales (1959). Los recientes avances en computación han hecho posible explotar muchas más características de los campos de gravedad de los cuerpos astronómicos y, por lo tanto, calcular trayectorias de incluso menor costo. Se han calculado caminos que unen los puntos de Lagrange de los distintos planetas en la llamada Red de Transporte Interplanetario. Tales "órbitas difusas" usan significativamente menos energía que las transferencias de Hohmann pero son mucho, mucho más lentas. No son prácticos para misiones tripuladas por humanos porque generalmente toman años o décadas, pero pueden ser útiles para el transporte de gran volumen de productos básicos de bajo valor si la humanidad desarrolla una economía basada en el espacio.

Aerofrenado

Módulo de comando Apollo volando en un ángulo alto de ataque a aerobrake esquiando la atmósfera (rendición artística)

El aerofrenado utiliza la atmósfera del planeta objetivo para reducir la velocidad. Se usó por primera vez en el programa Apolo, donde la nave espacial que regresaba no entró en la órbita terrestre, sino que usó un perfil de descenso vertical en forma de S (comenzando con un descenso inicialmente pronunciado, seguido de una nivelación, seguido de un ligero ascenso, seguido de un volver a una velocidad de descenso positiva y seguir cayendo en el océano) a través de la atmósfera de la Tierra para reducir su velocidad hasta que el sistema de paracaídas pueda desplegarse y permitir un aterrizaje seguro. El aerofrenado no requiere una atmósfera espesa; por ejemplo, la mayoría de los módulos de aterrizaje en Marte utilizan la técnica, y Mars' La atmósfera tiene solo alrededor del 1% del espesor de la Tierra.

El aerofrenado convierte la energía cinética de la nave espacial en calor, por lo que requiere un escudo térmico para evitar que la nave se queme. Como resultado, el aerofrenado solo es útil en los casos en que el combustible necesario para transportar el escudo térmico al planeta es menor que el combustible que se necesitaría para frenar una nave sin protección al encender sus motores. Esto se puede abordar creando escudos térmicos a partir del material disponible cerca del objetivo.

Tecnologías y metodologías mejoradas

Se han propuesto varias tecnologías que ahorran combustible y proporcionan un viaje significativamente más rápido que la metodología tradicional de usar transferencias Hohmann. Algunos todavía son solo teóricos, pero con el tiempo, varios de los enfoques teóricos se han probado en misiones de vuelos espaciales. Por ejemplo, la misión Deep Space 1 fue una prueba exitosa de un motor iónico. Estas tecnologías mejoradas generalmente se enfocan en uno o más de:

• Sistemas de propulsión espacial con una economía de combustible mucho mejor. Esos sistemas permitirían viajar mucho más rápido, manteniendo el costo del combustible dentro de límites aceptables.
• Utilizando la energía solar y la utilización de recursos in situ para evitar o minimizar la costosa tarea de los componentes de envío y combustible desde la superficie de la Tierra, contra la gravedad de la Tierra (ver "Usar recursos no terrestres", abajo).
• Novel methodologies of using energy at different locations or in different ways that can shorten transport time or reduce cost per unit mass of space transport

Además de hacer que viajar sea más rápido o menos costoso, estas mejoras también podrían permitir mayores "márgenes de seguridad" reduciendo el imperativo de hacer naves espaciales más ligeras.

Conceptos de cohetes mejorados

Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación del cohete Tsiolkovsky, que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masa, de inicial (M₀, incluido el combustible) hasta la masa final (M₁, combustible agotado). La principal consecuencia es que las velocidades de misión de más de unas pocas veces la velocidad del escape del motor del cohete (con respecto al vehículo) se vuelven rápidamente poco prácticas, ya que la masa seca (masa de carga útil y cohete sin combustible) cae por debajo del 10% de toda la masa húmeda del cohete (masa del cohete con combustible).

Cohetes termonucleares y termosolares

Sketch of nuclear térmico rocket

En un cohete térmico nuclear o un cohete térmico solar, un fluido de trabajo, generalmente hidrógeno, se calienta a una temperatura alta y luego se expande a través de una tobera de cohete para generar empuje. La energía reemplaza la energía química de los químicos reactivos en un motor de cohete tradicional. Debido a la baja masa molecular y, por lo tanto, a la alta velocidad térmica del hidrógeno, estos motores son al menos dos veces más eficientes en combustible que los motores químicos, incluso después de incluir el peso del reactor.

La Comisión de Energía Atómica de EE. UU. y la NASA probaron algunos diseños entre 1959 y 1968. Los diseños de la NASA se concibieron como reemplazos de las etapas superiores del vehículo de lanzamiento Saturno V, pero las pruebas revelaron problemas de confiabilidad, principalmente causados por la vibración y calentamiento involucrado en el funcionamiento de los motores a niveles de empuje tan altos. Las consideraciones políticas y ambientales hacen que sea poco probable que se use un motor de este tipo en un futuro previsible, ya que los cohetes térmicos nucleares serían más útiles en la superficie de la Tierra o cerca de ella, y las consecuencias de un mal funcionamiento podrían ser desastrosas. Los conceptos de cohetes térmicos basados en la fisión producen velocidades de escape más bajas que los conceptos eléctricos y de plasma que se describen a continuación y, por lo tanto, son soluciones menos atractivas. Para aplicaciones que requieren una alta relación empuje-peso, como el escape planetario, la energía térmica nuclear es potencialmente más atractiva.

Propulsión eléctrica

Los sistemas de propulsión eléctrica utilizan una fuente externa, como un reactor nuclear o células solares, para generar electricidad, que luego se utiliza para acelerar un propulsor químicamente inerte a velocidades mucho más altas que las alcanzadas en un cohete químico. Dichos motores producen un empuje débil y, por lo tanto, no son adecuados para maniobras rápidas o para lanzamientos desde la superficie de un planeta. Pero son tan económicos en el uso de masa de reacción que pueden seguir disparando continuamente durante días o semanas, mientras que los cohetes químicos usan la masa de reacción tan rápido que solo pueden disparar durante segundos o minutos. Incluso un viaje a la Luna es lo suficientemente largo para que un sistema de propulsión eléctrica supere a un cohete químico: las misiones Apolo demoraron 3 días en cada dirección.

El Deep Space One de la NASA fue una prueba muy exitosa de un prototipo de impulsor de iones, que se disparó durante un total de 678 días y permitió que la sonda rastreara el cometa Borrelly, una hazaña que hubiera sido imposible para un químico cohete. Dawn, la primera misión operativa de la NASA (es decir, de demostración no tecnológica) que utiliza un motor de iones para su propulsión principal, orbitó con éxito los grandes asteroides del cinturón principal 1 Ceres y 4 Vesta. Una versión más ambiciosa, de propulsión nuclear, estaba destinada a una misión de Júpiter sin tripulación humana, el Júpiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originalmente planeado para su lanzamiento en algún momento de la próxima década. Debido a un cambio de prioridades en la NASA que favoreció las misiones espaciales tripuladas por humanos, el proyecto perdió fondos en 2005. Actualmente se está discutiendo una misión similar como el componente estadounidense de un programa conjunto NASA/ESA para la exploración de Europa y Ganímedes.

En enero de 2011, un equipo de evaluación de aplicaciones tecnológicas multicéntrico de la NASA, dirigido por el Johnson Spaceflight Center, describió 'Nautilus-X', un estudio conceptual para un vehículo de exploración espacial multimisión útil para misiones más allá de la órbita terrestre baja (LEO), de hasta 24 meses de duración para una tripulación de hasta seis. Aunque Nautilus-X es adaptable a una variedad de unidades de propulsión específicas de la misión de varios diseños de bajo empuje y alto impulso específico (I_sp), se muestra el accionamiento nuclear iónico-eléctrico con fines ilustrativos. Está destinado a la integración y verificación en la Estación Espacial Internacional (ISS), y sería adecuado para misiones en el espacio profundo desde la ISS hasta la Luna y más allá, incluida la Tierra/Luna L1, Sol/Tierra L2, asteroide cercano a la Tierra, y destinos orbitales de Marte. Incorpora una centrífuga de g reducida que proporciona gravedad artificial para la salud de la tripulación a fin de mejorar los efectos de la exposición a 0 g a largo plazo y la capacidad de mitigar el entorno de radiación espacial.

Cohetes propulsados por fisión

Las misiones de propulsión eléctrica que ya han volado, o que están actualmente programadas, han utilizado energía eléctrica solar, lo que limita su capacidad para operar lejos del Sol y también limita su aceleración máxima debido a la masa de la fuente de energía eléctrica. Los motores nuclear-eléctricos o de plasma, que funcionan durante largos períodos a bajo empuje y están alimentados por reactores de fisión, pueden alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos de propulsión química.

Cohetes de fusión

Los cohetes de fusión, impulsados por reacciones de fusión nuclear, "quemarían" combustibles de elementos ligeros como el deuterio, el tritio o el ³He. Debido a que la fusión produce alrededor del 1 % de la masa del combustible nuclear como energía liberada, es energéticamente más favorable que la fisión, que libera solo alrededor del 0,1 % de la masa-energía del combustible. Sin embargo, las tecnologías de fisión o fusión pueden, en principio, alcanzar velocidades mucho más altas que las necesarias para la exploración del Sistema Solar, y la energía de fusión aún espera una demostración práctica en la Tierra.

Una propuesta que utilizó un cohete de fusión fue el Proyecto Daedalus. Otro sistema de vehículo bastante detallado, diseñado y optimizado para la exploración tripulada del Sistema Solar, "Discovery II", basado en la reacción D³He pero utilizando hidrógeno como masa de reacción, ha sido descrito por un equipo del Centro de Investigación Glenn de la NASA. Alcanza velocidades características de >300 km/s con una aceleración de ~1,7•10⁻³ g, con una masa inicial del barco de ~1700 toneladas métricas y una carga útil fracción superior al 10%.

Los cohetes de fusión se consideran una fuente probable de transporte interplanetario para una civilización planetaria.

Propulsión exótica

Consulte el artículo sobre propulsión de naves espaciales para ver una discusión sobre otras tecnologías que podrían, a mediano y largo plazo, ser la base de las misiones interplanetarias. A diferencia de la situación con los viajes interestelares, las barreras para los viajes interplanetarios rápidos implican la ingeniería y la economía en lugar de la física básica.

Velas solares

Ilustración de una nave espacial propulsada por el suelo solar

Las velas solares se basan en el hecho de que la luz reflejada desde una superficie ejerce presión sobre la superficie. La presión de radiación es pequeña y disminuye por el cuadrado de la distancia al Sol, pero a diferencia de los cohetes, las velas solares no requieren combustible. Aunque el empuje es pequeño, continúa mientras brilla el Sol y se despliega la vela.

El concepto original se basaba únicamente en la radiación del sol; por ejemplo, en la historia de Arthur C. Clarke de 1965 'Sunjammer'. Los diseños de velas ligeras más recientes proponen aumentar el empuje apuntando láseres o másers terrestres a la vela. Los láseres o másers basados en tierra también pueden ayudar a una nave espacial de vela ligera a desacelerar: la vela se divide en una sección exterior e interior, la sección exterior se empuja hacia adelante y su forma cambia mecánicamente para enfocar la radiación reflejada. en la parte interior, y la radiación enfocada en la sección interior actúa como un freno.

Aunque la mayoría de los artículos sobre velas ligeras se centran en los viajes interestelares, ha habido varias propuestas para su uso dentro del Sistema Solar.

Actualmente, la única nave espacial que utiliza una vela solar como método principal de propulsión es IKAROS, que fue lanzada por JAXA el 21 de mayo de 2010. Desde entonces, se ha desplegado con éxito y se ha demostrado que produce la aceleración esperada. Muchas naves espaciales y satélites comunes también usan colectores solares, paneles de control de temperatura y parasoles como velas ligeras, para hacer correcciones menores a su actitud y órbita sin usar combustible. Algunos incluso han tenido pequeñas velas solares especialmente diseñadas para este uso (por ejemplo, los satélites de comunicaciones geoestacionarios Eurostar E3000 construidos por EADS Astrium).

Ciclistas

Es posible poner estaciones o naves espaciales en órbitas que ciclen entre diferentes planetas, por ejemplo, un ciclador de Marte ciclaría sincrónicamente entre Marte y la Tierra, con muy poco uso de propulsor para mantener la trayectoria. Los cicladores son conceptualmente una buena idea, porque los escudos de radiación masivos, el soporte vital y otros equipos solo necesitan colocarse en la trayectoria del ciclador una vez. Un ciclador podría combinar varias funciones: hábitat (por ejemplo, podría girar para producir un efecto de 'gravedad artificial'); nave nodriza (que proporciona soporte vital a las tripulaciones de naves espaciales más pequeñas que se suben a ella). Los cicladores también podrían ser excelentes barcos de carga para reabastecer a una colonia.

Ascensor espacial

Un ascensor espacial es una estructura teórica que transportaría material desde la superficie de un planeta hasta su órbita. La idea es que, una vez que se complete el costoso trabajo de construir el ascensor, se pueda transportar una cantidad indefinida de cargas a la órbita a un costo mínimo. Incluso los diseños más simples evitan el círculo vicioso de los lanzamientos de cohetes desde la superficie, en los que el combustible necesario para recorrer el último 10 % de la distancia en órbita debe elevarse completamente desde la superficie, lo que requiere aún más combustible, y así sucesivamente. Los diseños de ascensores espaciales más sofisticados reducen el costo de energía por viaje mediante el uso de contrapesos, y los esquemas más ambiciosos tienen como objetivo equilibrar las cargas que suben y bajan y, por lo tanto, hacer que el costo de energía sea cercano a cero. Los ascensores espaciales también se han denominado a veces "tallos de frijol", "puentes espaciales", "ascensores espaciales", "escaleras espaciales" y "torres orbitales".

Un ascensor espacial terrestre está más allá de nuestra tecnología actual, aunque teóricamente se podría construir un ascensor espacial lunar utilizando materiales existentes.

Gancho celestial

Skyhook no rotativo propuesto por E. Sarmont en 1990.

Un skyhook es una clase teórica de propulsión de amarre en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. Las propuestas de ganchos aéreos incluyen diseños que emplean amarres que giran a una velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aviones de gran altitud y colocarlos en órbita. Además, se ha sugerido que el skyhook giratorio "no es factible desde el punto de vista de la ingeniería con los materiales disponibles en la actualidad".

Reutilización de vehículos de lanzamiento y naves espaciales

La SpaceX Starship está diseñada para ser completa y rápidamente reutilizable, haciendo uso de la tecnología reutilizable de SpaceX que se desarrolló entre 2011 y 2018 para los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy.

El CEO de SpaceX, Elon Musk, estima que solo la capacidad de reutilización, tanto en el vehículo de lanzamiento como en la nave espacial asociada con Starship, reducirá los costos generales del sistema por tonelada enviada a Marte en al menos dos órdenes de magnitud con respecto a lo que la NASA había logrado anteriormente.

Propulsores de puesta en escena

Cuando se lanzan sondas interplanetarias desde la superficie de la Tierra, transportando toda la energía necesaria para la misión de larga duración, las cantidades de carga útil son necesariamente extremadamente limitadas, debido a las limitaciones de masa base descritas teóricamente por la ecuación del cohete. Una alternativa para transportar más masa en las trayectorias interplanetarias es usar casi todo el propulsor de la etapa superior en el lanzamiento y luego recargar los propulsores en la órbita terrestre antes de disparar el cohete a la velocidad de escape para una trayectoria heliocéntrica. Estos propulsores podrían almacenarse en órbita en un depósito de propulsores o llevarse a la órbita en un camión cisterna de propulsores para transferirlos directamente a la nave espacial interplanetaria. Para devolver masa a la Tierra, una opción relacionada es extraer materias primas de un objeto celeste del sistema solar, refinar, procesar y almacenar los productos de reacción (propulsor) en el cuerpo del Sistema Solar hasta el momento en que sea necesario cargar un vehículo para el lanzamiento..

Transferencias de petroleros en órbita

A partir de 2019, SpaceX está desarrollando un sistema en el que un vehículo de primera etapa reutilizable transportaría una nave espacial interplanetaria tripulada a la órbita terrestre, se separaría, regresaría a su plataforma de lanzamiento donde se montaría una nave espacial cisterna encima, luego se recargarían ambos. luego se lanzó de nuevo para encontrarse con la nave espacial tripulada que esperaba. El petrolero luego transferiría su combustible a la nave espacial tripulada por humanos para su uso en su viaje interplanetario. SpaceX Starship es una nave espacial con estructura de acero inoxidable propulsada por seis motores Raptor que funcionan con propulsores de metano/oxígeno densificados. Tiene 55 m (180 ft) de largo, 9 m (30 ft) de diámetro en su punto más ancho, y es capaz de transportar hasta 100 toneladas (220,000 lb) de carga y pasajeros por viaje a Marte, con en órbita recarga de propulsor antes de la parte interplanetaria del viaje.

Planta propulsora en un cuerpo celeste

Como ejemplo de un proyecto financiado actualmente en desarrollo, una parte clave del sistema que SpaceX ha diseñado para Marte con el fin de reducir radicalmente el costo de los vuelos espaciales a destinos interplanetarios es la ubicación y operación de una planta física en Marte para manejar producción y almacenamiento de los componentes propulsores necesarios para lanzar y hacer volar las Starships de regreso a la Tierra, o tal vez para aumentar la masa que se puede transportar hacia destinos en el Sistema Solar exterior.

La primera Starship to Mars llevará una pequeña planta propulsora como parte de su carga. La planta se expandirá en varios sínodos a medida que lleguen más equipos, se instalen y se pongan en producción mayoritariamente autónoma.

La planta propulsora de SpaceX aprovechará los grandes suministros de dióxido de carbono y recursos hídricos en Marte, extrayendo el agua (H₂O) del hielo subterráneo y recolectando CO₂ de la atmosfera. Una planta química procesará las materias primas mediante electrólisis y el proceso Sabatier para producir oxígeno (O₂) y metano (CH₄), y luego lo licuará para facilitar almacenamiento a largo plazo y uso final.

Uso de recursos extraterrestres

Langley's Mars Ice Dome diseño de 2016 para una base de Marte usaría agua in situ para hacer una especie de espacio-igloo.

Los vehículos espaciales actuales intentan despegar con todo el combustible (propulsores y suministros de energía) a bordo que necesitarán para todo su viaje, y las estructuras espaciales actuales se levantan de la superficie de la Tierra. Las fuentes de energía y los materiales no terrestres están en su mayoría mucho más lejos, pero la mayoría no requeriría levantarse de un fuerte campo de gravedad y, por lo tanto, debería ser mucho más barato de usar en el espacio a largo plazo.

El recurso no terrestre más importante es la energía, porque se puede utilizar para transformar materiales no terrestres en formas útiles (algunas de las cuales también pueden producir energía). Se han propuesto al menos dos fuentes de energía no terrestres fundamentales: la generación de energía con energía solar (sin la obstrucción de las nubes), ya sea directamente mediante células solares o indirectamente al enfocar la radiación solar en las calderas que producen vapor para impulsar los generadores; y ataduras electrodinámicas que generan electricidad a partir de los poderosos campos magnéticos de algunos planetas (Júpiter tiene un campo magnético muy poderoso).

El hielo de agua sería muy útil y está muy extendido en las lunas de Júpiter y Saturno:

• La baja gravedad de estas lunas les haría una fuente más barata de agua para estaciones espaciales y bases planetarias que levantarla de la superficie de la Tierra.
• Los suministros de energía no terrestres podrían utilizarse para electrolizar el hielo de agua en oxígeno e hidrógeno para su uso en motores de cohetes bipropellantes.
• Los cohetes nucleares térmicos o los cohetes solares térmicos podrían utilizarlos como masa de reacción. El hidrógeno también se ha propuesto para su uso en estos motores y proporcionaría un impulso específico mucho mayor (en vigor por kilogramo de masa de reacción), pero se ha afirmado que el agua vencerá el hidrógeno en términos de coste/rendimiento a pesar de su impulso específico mucho menor por órdenes de magnitud.
• Una nave espacial con un suministro adecuado de agua podría llevar el agua bajo el casco, que podría proporcionar un margen de seguridad adicional considerable para el buque y sus ocupantes:
  • El agua absorbería y llevaría energía solar, actuando así como un escudo de calor. Un barco que viaja en el Sistema Solar interior podría mantener un rumbo constante en relación con el Sol sin sobrecalentar el lado de la nave espacial frente al Sol, siempre que el agua bajo el casco se distribuya constantemente para distribuir uniformemente el calor solar a lo largo del casco;
  • El agua proporcionaría cierta protección adicional contra la radiación ionizante;
  • El agua actuaría como un aislante contra el frío extremo asumiendo que se mantuvo calentada, ya sea por el Sol cuando viajaba en el Sistema Solar interior o por una fuente de energía a bordo al viajar más lejos del Sol;
  • El agua proporcionaría alguna protección adicional contra los impactos micrometeoroideos, siempre que el casco se compartime para asegurar que cualquier fuga pueda ser aislada a una pequeña sección del casco.

El oxígeno es un componente común de la corteza lunar y probablemente abunde en la mayoría de los demás cuerpos del Sistema Solar. El oxígeno no terrestre sería valioso como fuente de hielo de agua solo si se puede encontrar una fuente adecuada de hidrógeno. Los usos posibles incluyen:

• En los sistemas de soporte vital de naves espaciales, estaciones espaciales y bases planetarias.
• En motores de cohetes. Incluso si el otro propulsante tiene que ser levantado de la Tierra, el uso de oxígeno no terrestre podría reducir los costos de lanzamiento de propelentes hasta 2/3 para el combustible hidrocarburo, o 85% para hidrógeno. Los ahorros son tan altos porque el oxígeno representa la mayoría de la masa en la mayoría de las combinaciones propulsantes de cohetes.

Desafortunadamente, el hidrógeno, junto con otros volátiles como el carbono y el nitrógeno, son mucho menos abundantes que el oxígeno en el Sistema Solar interior.

Los científicos esperan encontrar una amplia gama de compuestos orgánicos en algunos de los planetas, lunas y cometas del Sistema Solar exterior, y la gama de posibles usos es aún más amplia. Por ejemplo, el metano se puede utilizar como combustible (quemado con oxígeno no terrestre) o como materia prima para procesos petroquímicos como la fabricación de plásticos. Y el amoníaco podría ser una valiosa materia prima para producir fertilizantes que se utilizarán en los huertos de las bases orbitales y planetarias, reduciendo la necesidad de llevarles alimentos desde la Tierra.

Incluso la roca sin procesar puede ser útil como propulsor de cohetes si se emplean impulsores de masa.

Requisitos de diseño para viajes interplanetarios tripulados

En la visión artística, la nave espacial proporciona gravedad artificial al girar (1989)

Transporte Espacial Profundo y Puerta Lunar

Soporte vital

Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de soportar la vida humana durante semanas, meses o incluso años. Se debe mantener una atmósfera respirable de al menos 35 kPa (5,1 psi), con cantidades adecuadas de oxígeno, nitrógeno y niveles controlados de dióxido de carbono, gases traza y vapor de agua.

En octubre de 2015, la Oficina del Inspector General de la NASA emitió un informe de peligros para la salud relacionados con los vuelos espaciales tripulados, incluida una misión tripulada a Marte.

Radiación

Una vez que un vehículo abandona la órbita terrestre baja y la protección de la magnetosfera terrestre, ingresa al cinturón de radiación de Van Allen, una región de alta radiación. Más allá de los cinturones de Van Allen, los niveles de radiación generalmente disminuyen, pero pueden fluctuar con el tiempo. Estos rayos cósmicos de alta energía representan una amenaza para la salud. Incluso los niveles mínimos de radiación durante estas fluctuaciones son comparables al límite anual actual para los astronautas en la órbita terrestre baja.

Científicos de la Academia Rusa de Ciencias están buscando métodos para reducir el riesgo de cáncer inducido por radiación en preparación para la misión a Marte. Consideran como una de las opciones un sistema de soporte vital que genere agua potable con bajo contenido de deuterio (un isótopo estable del hidrógeno) para ser consumida por los tripulantes. Las investigaciones preliminares han demostrado que el agua empobrecida en deuterio presenta ciertos efectos anticancerígenos. Por lo tanto, se considera que el agua potable libre de deuterio tiene el potencial de reducir el riesgo de cáncer causado por la exposición extrema a la radiación de la tripulación marciana.

Además, las eyecciones de masa coronal del Sol son muy peligrosas y son mortales en un plazo muy corto para los humanos, a menos que estén protegidos por un escudo masivo.

Confiabilidad

Es probable que cualquier falla importante de una nave espacial en ruta sea fatal, e incluso una falla menor podría tener resultados peligrosos si no se repara rápidamente, algo difícil de lograr en el espacio abierto. La tripulación de la misión Apolo 13 sobrevivió a pesar de una explosión provocada por un tanque de oxígeno defectuoso (1970).

Iniciar ventanas

Por razones astrodinámicas, los viajes económicos de naves espaciales a otros planetas solo son prácticos dentro de ciertas ventanas de tiempo. Fuera de estas ventanas, los planetas son esencialmente inaccesibles desde la Tierra con la tecnología actual. Esto restringe los vuelos y limita las opciones de rescate en caso de emergencia.