¿PORQUÉ ES TAN DIFÍCIL VIAJAR A MARTE?

Como podemos ver, una misión a Marte desde la órbita baja terrestre
(LEO) requiere nada más y nada menos que el ensamblaje de una nave de
unas 4500 toneladas. O lo que es lo mismo, el equivalente a doce estaciones del tamaño de la ISS o 37 lanzamientos del cohete gigante Saturno V. ¿Cómo es esto posible? La explicación a este misterio la tenemos que encontrar en la despiadada Ecuación de Tsiolkovski, también conocida como la Ecuación del Cohete.
Según las rígidas leyes de la física, un ligero aumento en la carga
útil de una nave espacial requiere un aumento enorme en la masa inicial.
¿Por qué? Pues porque para lanzar esa carga extra es necesario
transportar más combustible, lo que a su vez aumenta la masa inicial del
vehículo haciendo necesario usar aún más combustible al lanzamiento.

Esto está muy bien, pero, ¿por qué una nave marciana debe ser tan
grande? La razón es que a la Ecuación del Cohete debemos añadir otro
factor que complica el poder viajar a otros planetas: la profundidad del
pozo gravitatorio de la Tierra. Abandonar la gravedad terrestre es
realmente difícil. Aunque parezca contraintuitivo, una nave situada
en órbita baja a unos pocos cientos de kilómetros de altura ya ha
recorrido el 73% del camino a otros planetas en términos energéticos.
Efectivamente, para poner un objeto en órbita terrestre debemos
acelerar hasta los 8 km/s, pero para abandonar la Tierra sólo
necesitamos alcanzar los 11 km/s. El problema es que esa misma nave debe
frenar para entrar en órbita marciana y luego tiene que aterrizar en la
superficie del planeta rojo. Y, por supuesto, posteriormente tenemos
que volver a la Tierra, para lo cual debemos llevar el combustible
necesario para todas estas maniobras. Si recordamos el principio de la
Ecuación del Cohete, entenderemos ahora por qué necesitamos una nave de
4000 toneladas para alcanzar el planeta rojo.

Por estos motivos, la dificultad en alcanzar un cuerpo del Sistema
Solar no depende de la distancia, sino de la energía necesaria para
realizar las maniobras orbitales. Por eso medimos el coste de una
misión en términos de los cambios de velocidad necesarios para llegar al
objetivo. En lenguaje astronáutico, esta diferencia de velocidades se
denomina Delta-V y es la magnitud que rige la navegación por el
Sistema Solar. Mientras que los marinos de antaño disponían de cartas en
las que se señalaban las mejores rutas para esquivar las zonas sin
viento y los arrecifes peligrosos, los planificadores de misiones
espaciales cuentan en la actualidad con mapas de Delta-V.

Por ejemplo, para situarnos en órbita marciana desde LEO necesitamos una
Delta-V de unos 6 km/s. O lo que es lo mismo, ¡viajar a la órbita de
Marte desde la ISS requiere menos energía que un lanzamiento a la órbita
terrestre! Poco importa que en el primer caso debamos recorrer varios
millones de kilómetros mientras que en el segundo apenas tenemos que
alejarnos unos pocos cientos. Pero si lo que queremos es posarnos en la
superficie, la cosa cambia. Aunque el pozo gravitatorio de Marte es
mucho menos profundo que el terrestre, la Delta-V total en este caso se
dispara hasta alcanzar los 10,2 km/s. De ahí que la órbita marciana sea
un destino muy atractivo en algunos planes de exploración del Sistema
Solar, aunque se podría discutir sobre el interés que tiene mandar una
nave tripulada hasta Marte y volver sin tocar la superficie.


Mapa del Delta-V necesario para viajar a algunos lugares del Sistema Solar (Wikipedia).



Una visión más gráfica de los pozos gravitatorios del Sistema Solar (xkcd.com)

Obviamente, una vez fijado el destino no podemos modificar la Delta-V, pero, ¿es posible reducir la enorme masa inicial de una nave marciana? Por
supuesto, usando la ecuación del cohete a nuestro favor. Es decir, si
logramos un ligero descenso en la masa final de la nave, la masa inicial
disminuirá mucho más. Lo primero que podemos hacer es dividir nuestra
gran nave marciana en varios vehículos, (por este motivo los cohetes
tienen varias etapas), aunque a cambio aumentará la complejidad de la
misión.

Otra estrategia es emplear sistemas de propulsión más eficientes. La
mayor parte de misiones interplanetarias contemplan el uso de
combustibles hipergólicos, fácilmente almacenables pero poco eficientes.
Si usamos combustibles criogénicos (hidrógeno y oxígeno líquidos)
podríamos reducir la masa de una nave marciana de forma significativa,
aunque tendremos que desarrollar tecnologías que permitan almacenar
estos combustibles sin que se evaporen. En caso de decantarnos por otros
sistemas de propulsión más avanzados (nuclear, iónica, VASIMR,
velas solares, etc.), el tamaño de la nave se puede reducir todavía
más. La eficiencia de un sistema de propulsión se mide de acuerdo con el
impulso específico (Isp).



Simplemente usando un sistema de
propulsión avanzado (o criogénica) podemos reducir la masa de nuestra
nave marciana a la mitad (NASA).



Propuesta de nave marciana de la empresa rusa RKK Energía que hace uso de propulsión iónica solar (RKK Energia).



Eficiencia (impulso específico) de
distintos sistemas de propulsión en función de su empuje. A mayor
impulso específico, menor será la masa de la nave interplanetaria
(NASA).



Nave marciana de la NASA que emplea propulsión nuclear térmica (NASA).

Un atajo adicional es utilizar los recursos del planeta rojo con el fin
de fabricar el combustible necesario para regresar a la Tierra. Por
ejemplo, se puede crear metano -un magnífico combustible- a partir del
dióxido de carbono de la atmósfera marciana. Y si usamos sistemas más
complejos es posible descomponer el hielo del subsuelo marciano en
hidrógeno y oxígeno para procurarnos nuestra propia fuente de
combustibles criogénicos. Estas técnicas para aprovechar los recursos
locales se denominan ISRU (In-Situ Resource Utilization) y son claves a la hora de diseñar una misión al planeta rojo.



Propuesta de nave tripulada de la
NASA que utiliza un reactor nuclear para generar metano a partir del
dióxido de carbono de la atmósfera marciana (NASA).

Por último, otra medida de adelgazamiento para nuestra nave consiste en
utilizar las atmósferas planetarias a nuestro favor. Si alcanzamos la
órbita marciana frenando la nave mediante el rozamiento con la atmósfera
del planeta rojo podremos ahorrarnos una enorme cantidad de
combustible. Esta técnica se conoce con el nombre de aerocaptura y
resulta un desafío tecnológico de primer orden. De hecho, hasta la
fecha ninguna misión ha llevado a cabo esta maniobra (aunque sí se ha
usado el aerofrenado en varias sondas para disminuir la altura
orbital). La aerocaptura requiere demás el empleo de grandes escudos
térmicos -que también tienen una masa elevada-, pero en cualquier caso
es una técnica que compensa de cara a una misión tripulada.



Una sonda francesa realiza aerocaptura para insertarse en órbita marciana (Beyond Apollo).

Si aplicamos a rajatabla todas estas medidas podemos reducir la masa de
nuestra nave (o naves) marciana por debajo de las mil toneladas. La última propuesta de la NASA, denominada Mars Design Reference Architecture 5.0 (DRA 5.0), contempla una serie de naves marcianas con una masa total de "sólo" 850 toneladas. Para lograr este objetivo, DRA 5.0 hace uso de propulsión nuclear térmica, ISRU y aerocaptura.

Pese a todo, estamos hablando del equivalente a dos estaciones espaciales como la ISS, o lo que es lo mismo, unos siete lanzamientos de un cohete gigante como el malogrado Ares V. Teniendo en cuenta que el lanzador más potente
en servicio que existe en la actualidad sólo es capaz de situar 25
toneladas en órbita baja, resulta obvio que Marte nos queda aún muy
lejos. Pero si queremos viajar a otros planetas durante este siglo, más
nos vale encontrar una solución a este dilema.



Reducción en la masa inicial de una nave marciana mediante el empleo de distintas tecnologías (NASA).



Esquema de la misión marciana DRA 5.0 (NASA).



Una nave con propulsión nuclear térmica se aproxima a Marte (NASA).

Notas:

1- Obviamente, la Delta-V es una magnitud que simplemente mide los
cambios de velocidad y no tiene dimensiones de energía. Por eso se suele
usar el cuadrado de la Delta-V como magnitud para medir el coste
energético de las maniobras espaciales, ya que tiene unidades de energía
por unidad de masa.

2- Cuando hablamos de "combustible" en realidad deberíamos usar el
término propergol. Un cohete biporpelente requiere el uso de
combustibles (queroseno, metano, hidrógeno, hidrazina, etc.) y un
oxidante (oxígeno, ácido nítrico, etc.). También existen sistemas de
propulsión monopropelentes.