Propulsión
Les damos la bienvenida a la Etapa 4 de Desafío Marte. Y en esta oportunidad vamos a definir el sistema de propulsión que utilizaremos para llegar al planeta rojo.
Como todos sabemos, estas naves espaciales pueden trasladarse de un punto del espacio a otro a través de cohetes que tienen motores que son alimentados por distintos sistemas de propulsión. A lo largo de la historia, la gran mayoría de las naves espaciales que han efectuado misiones, han sido a través de lo que se denomina propulsión química, en la que, mezclando un combustible y un oxidante, se produce una reacción explosiva, lo cual produce el impulso que permite hacer que la nave se acelere hacia su destino.
Hoy hay diversas alternativas tecnológicas que prometen dar un mejor rendimiento en una eventual misión futura a Marte y vamos a tener que evaluar todas ellas a fin de poder decidir cuál es la más apropiada.
Requerimientos de la misión.
El punto de partida para definir el sistema de propulsión implica poder analizar la carga, lo que en inglés se denomina payload, que debe llevar la misión, y esto depende a su vez de los requerimientos logísticos, de la cantidad de astronautas que estén a bordo y de lo que se pretenda hacer una vez llegado a la superficie de Marte.
Un desafío particular de la misión a Marte, dada su duración y la enorme distancia que existe entre la Tierra y Marte, que es mucho mayor a cualquier otra distancia que naves tripuladas hayan recorrido, es poder tener el suficiente combustible no solo para amartizar, sino también para poder volver a la Tierra. Como veremos después, los sistemas de propulsión convencionales, por ejemplo la propulsión química, no pueden tener el impulso suficiente como para poder ir y volver con una carga de combustible y que sea factible en cuanto al tamaño de la nave y al peso que debe llevar. Por lo cual, para poder tener una misión de ida y vuelta, se deben evaluar sistemas de propulsión alternativos.
Tipos de propulsión.
1. Propulsión Química
Este es el tipo de propulsión que se usa en los cohetes hoy en día, como los cohetes de SpaceX, NASA, etc. Funciona de una forma similar a como un globo se desinfla y se dispara. En un cohete, se mezclan dos tipos de productos químicos (un combustible y un oxidante) y se encienden. Esto causa una reacción química que produce mucho calor y gas. El gas se expande y es expulsado por la parte posterior del cohete. La fuerza de este gas al salir empuja el cohete en la dirección opuesta. Es la ley de acción y reacción de Newton.
Ejemplos:
- Motor F-1: Este fue el motor utilizado en el cohete Saturn V que llevó a los astronautas del Apolo a la Luna. Quemaba una mezcla de RP-1 (un tipo de queroseno) y oxígeno líquido.
- Motor Merlin: Este es el motor que utiliza SpaceX en sus cohetes Falcon 9 y Falcon Heavy. También quema una mezcla de RP-1 y oxígeno líquido.
- Motor RS-25: Estos son los motores utilizados en el transbordador espacial de la NASA. Queman una mezcla de hidrógeno líquido y oxígeno líquido.
2. Propulsión Eléctrica (Cohetes de Iones)
Los cohetes de iones usan electricidad en lugar de reacciones químicas para producir empuje. Lo que hacen es tomar un gas (como el xenón), darle una carga eléctrica para convertirlo en iones, y luego usar un campo eléctrico para acelerar estos iones y expulsarlos del motor a alta velocidad. Esto crea una fuerza que empuja al cohete en la dirección opuesta. Este método es mucho más eficiente que la propulsión química, pero el empuje que produce es bastante pequeño. Es como si se tuviera un coche muy eficiente en términos de consumo de combustible, pero que sólo pudiera moverse a una velocidad muy lenta.
Ejemplos:
- Motor de Efecto Hall: Estos motores utilizan un campo eléctrico para acelerar iones y producir empuje. Han sido utilizados en varias misiones espaciales, como el satélite SMART-1 de la ESA y la sonda lunar Lunar IceCube de la NASA.
- Motor de Iones de Rejilla: Este tipo de motor de iones utiliza una serie de rejillas electrificadas para acelerar los iones. Fue utilizado en la misión Dawn de la NASA, que visitó los asteroides Vesta y Ceres.
3. Propulsión Nuclear Térmica
En un motor de propulsión nuclear, se utiliza un reactor nuclear para calentar un gas hasta que se expande y es expulsado del motor, creando empuje. Es similar a la propulsión química, pero en lugar de usar una reacción química para calentar el gas, se utiliza una reacción nuclear. La ventaja es que puede ser mucho más eficiente que la propulsión química, permitiendo reducir la cantidad de combustible que se necesita llevar. Sin embargo, hay preocupaciones sobre la seguridad y la gestión de los residuos radiactivos.
Ejemplos:
- Programa NERVA: La NASA experimentó con motores de propulsión nuclear térmica en las décadas de 1960 y 1970 bajo el Programa de Investigación de Propulsión Nuclear (NERVA). Aunque nunca se utilizaron en una misión espacial, lograron demostrar con éxito la tecnología en pruebas terrestres.
4. Propulsión de Fusión Nuclear
Este tipo de propulsión es aún más eficiente que la propulsión nuclear térmica, pero es mucho más difícil de lograr. Se basa en la fusión de átomos ligeros para formar átomos más pesados, un proceso que libera una enorme cantidad de energía. Es la misma reacción que alimenta al Sol y a las estrellas. Este proceso puede ser utilizado para calentar y expulsar gas, generando empuje. Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, aún no hemos conseguido construir un reactor de fusión que produzca más energía de la que consume, y mucho menos un motor de fusión que pueda instalarse en una nave espacial.
Ejemplos:
- Proyecto Daedalus: Este fue un estudio realizado por la Sociedad Interplanetaria Británica en la década de 1970 para diseñar una nave espacial no tripulada impulsada por fusión que pudiera realizar un viaje interestelar.
- Concepto de Motor de Fusión de Impulso Directo (DFD): Este es un concepto más reciente desarrollado por investigadores de la Universidad de Princeton y una empresa llamada Princeton Satellite Systems. El DFD es un tipo de reactor de fusión compacto que podría utilizarse para propulsar una nave espacial.
El concepto de Impulso Específico.
El impulso específico (a menudo abreviado como Isp) es un término que se usa en la física de cohetes para describir qué tan eficientemente un motor de cohete usa su combustible. Se puede pensar como una medida de «kilometraje» para los cohetes, similar a cómo medimos los kilómetros por litro en los coches.
La diferencia es que, en lugar de medir cuánta distancia se puede recorrer con una cantidad determinada de combustible (como hacemos con los coches), el impulso específico mide cuánto empuje se puede obtener de una cantidad determinada de combustible.
Más técnicamente, el impulso específico es el total de empuje que un motor de cohete puede producir por unidad de peso del combustible consumido por segundo. Se mide en segundos.
Un motor con un impulso específico más alto es más eficiente porque puede producir más empuje por cada kilogramo de combustible que consume. Esto significa que puede llevar a la nave espacial más lejos o más rápido usando la misma cantidad de combustible, o que puede lograr la misma misión utilizando menos combustible.
Por ejemplo, los motores de cohetes químicos típicamente tienen impulsos específicos en el rango de 250-450 segundos. Los motores de iones, que son muy eficientes pero producen un empuje muy pequeño, pueden tener impulsos específicos de varios miles de segundos.
En resumen, el impulso específico es una medida de la eficiencia de un motor de cohete: cuánto empuje puede obtener de una cantidad determinada de combustible. Un impulso específico más alto es mejor, porque significa que puedes hacer más con menos combustible.
La Misión Mars Direct
El concepto de Mars Direct, propuesto por el fundador de Mars Society, Robert Zubrin, es un plan para misiones tripuladas a Marte que tiene como objetivo reducir los costos y aumentar la eficiencia en la exploración marciana. A continuación, se incluyen sus principales características:
- Dos Lanzamientos para Cada Misión: En lugar de intentar lanzar todo lo necesario para la misión en un solo lanzamiento, Mars Direct propone enviar dos naves por misión. El primer lanzamiento llevaría un vehículo de retorno a Marte sin tripulación (Mars Ascent Vehicle, MAV) y un reactor nuclear para generar electricidad y calor. El segundo lanzamiento, que tendría lugar unos dos años después, llevaría a la tripulación y un hábitat en el que vivirían.
- Fabricación de Combustible en Marte: Una vez que el MAV llegue a Marte, utilizará el reactor nuclear para alimentar un proceso químico conocido como la reacción de Sabatier. Esta reacción combina hidrógeno (que se traerá desde la Tierra) con dióxido de carbono (que es abundante en la atmósfera marciana) para producir metano y agua. El metano se puede utilizar como combustible para el MAV, y el agua puede ser electrolizada (separada en hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad) para producir más hidrógeno y oxígeno. El oxígeno también se puede utilizar como oxidante en el motor del MAV.
- Misiones Sucesivas: Según el plan de Mars Direct, cada vez que se lanza una misión, se lanza también el equipamiento para la siguiente. Así, cuando llega la tripulación, ya hay un MAV completamente cargado de combustible esperándolos. Esto significa que siempre tienen una forma de volver a casa, incluso si algo sale mal con el próximo lanzamiento.
- Uso de Recursos Locales: Además de utilizar la atmósfera marciana para generar combustible, Mars Direct también propone utilizar los recursos locales de otras formas. Por ejemplo, la regolita marciana (el suelo de Marte) se podría utilizar para proteger el hábitat de la radiación.
En resumen, el concepto de Mars Direct busca aprovechar los recursos locales y simplificar las misiones a Marte, lo que reduce la cantidad de combustible y equipo que necesita ser lanzado desde la Tierra.
La reacción de Sabbatier para producir metano en Marte
La reacción de Sabatier es una reacción química que combina hidrógeno con dióxido de carbono para producir metano y agua. Es particularmente relevante para las misiones a Marte debido a la abundancia de dióxido de carbono en la atmósfera marciana. La reacción se puede expresar así:
CO2 (dióxido de carbono) + 4H2 (hidrógeno) -> CH4 (metano) + 2H2O (agua)
Esta reacción es exotérmica, lo que significa que libera calor. Para catalizar la reacción se utiliza comúnmente un catalizador de níquel, aunque también pueden utilizarse otros metales.
En el contexto de una misión a Marte, el hidrógeno necesario para la reacción se llevaría desde la Tierra. Una vez en Marte, el hidrógeno se combinaría con el dióxido de carbono de la atmósfera marciana en un reactor de Sabatier, produciendo metano y agua. El metano se puede almacenar para su uso como combustible en el vehículo de ascenso de Marte (MAV), mientras que el agua se puede usar para soporte vital o se puede descomponer en más hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis.
La tecnología necesaria para realizar la reacción de Sabatier es relativamente madura y se ha probado en la Tierra. La principal dificultad en Marte es que el equipo necesitará ser lo suficientemente resistente para sobrevivir al viaje y a las duras condiciones en la superficie marciana, y lo suficientemente eficiente para operar con la cantidad limitada de hidrógeno que se puede llevar desde la Tierra.
Para el almacenamiento de metano, se necesitarían tanques de almacenamiento resistentes y bien aislados para mantener el metano en estado líquido. El oxígeno producido por la electrólisis del agua también se almacenaría para su uso como oxidante en el motor del MAV.
La producción de combustible en Marte a través de la reacción de Sabatier implicaría traer un reactor de Sabatier y un sistema de electrólisis a Marte, junto con una pequeña cantidad de hidrógeno y el equipo necesario para almacenar los productos de la reacción.
Eligiendo el sistema de propulsión para la misión
En función de todo lo anterior, vamos a intentar definir lo más posible el sistema de propulsión que utilizará la nave para llegar a Marte.
Para ello tendremos en cuenta los factores enumerados anteriormente, intentando equilibrar la seguridad de la misión, la duración de la misma, la carga a llevar y el tiempo a permanecer en la superficie del planeta.
Les pedimos que completen el siguiente formulario respondiendo a las siguientes preguntas.
- ¿Qué tipo de propulsión eligen? Explicar los motivos que los llevan a elegir este tipo de propulsión. Dar un ejemplo de algún tipo de motor que represente este tipo de propulsión incluyendo su impulso específico.
- ¿Estarían produciendo combustible en la superficie de Marte? De ser así, ¿qué tecnología utilizarían?
- ¿Cómo se asegurarían de que cuando los astronautas lleguen a la superficie de Marte puedan encontrar el combustible suficiente para retornar?