Fotograma de la película ‘The martian’. AIDAN MONAGHAN

El estreno de la película ‘Marte’ (The Martian) ha despertado cierta curiosidad acerca de posibles futuros viajes humanos al planeta rojo. Después de haber ido a la Luna en varias ocasiones hace ya casi cinco décadas, y estando acostumbrados a ver astronautas viajar al espacio casi de forma rutinaria, es tentador pensar que enviar seres humanos a Marte pueda ser algo perfectamente plausible a día de hoy, o tal vez un tanto más complicado que lo hecho hasta ahora. Sin embargo, la realidad es que enviar seres humanos a Marte constituye un desafío de una dificultad y complejidad absolutamente descomunales que se aleja mucho de todo lo que se ha hecho hasta ahora en la historia de la exploración humana del espacio.

En esta y en la siguiente entrada hablaré de las razones por las que esta empresa constituye un desafío inmenso y sobre cómo se plantea en la actualidad una misión tripulada a Marte. Con objeto de ofrecer una perspectiva inicial para entender la dimensión del problema de una forma intuitiva, en esta entrada trataré de la razón principal que hace extremadamente difícil una misión a Marte, la razón de la que prácticamente se derivan casi todas las demás: la distancia.

Vemos astronautas viajar con frecuencia al espacio, a la Estación Espacial Internacional (ISS), antes a la estación Mir, a bordo de naves Soyuz, o antes a bordo del Transbordador Espacial, etc., y se suele tener la impresión de que el lugar al que se viaja en estas misiones es muy lejano; sin embargo, las altitudes típicas a las que estas estaciones y vehículos espaciales orbitan alrededor de la Tierra son de unos pocos cientos de kilómetros. La ISS, por ejemplo, orbita alrededor de la Tierra a una altitud que es equivalente a la distancia que hay en línea recta entre Madrid y Almería: unos 400 km. Esta región espacial a la que viajan los humanos de forma rutinaria está dentro de la conocida como ‘región de las órbitas bajas de la Tierra’, y técnicamente la llamamos LEO (del inglés Low Earth Orbit).

Comparativa entre orbitas bajas de la Tierra (arriba) y la distancia a escala entre la Tierra y la Luna (abajo).

Los viajes tripulados lunares implicaron viajar más allá de las órbitas LEO ya que la Luna orbita nuestro planeta a una distancia media de unos 380.000 km, lo que viene a ser unas 1.000 veces más lejos que las altitudes de estas órbitas bajas. Una tripulación y su nave se ponen en órbita alrededor de la Tierra poco después de su lanzamiento, mientras que la distancia a la Luna se cubría en las misiones Apolo en prácticamente 3 días.

En el caso de Marte la situación es muy diferente. Ir a Marte implica pasar de una misión geocéntrica a una centrada en el Sol, o heliocéntrica, lo que supone un salto enorme en las distancias involucradas. Aunque las distancias máxima y mínima entre la Tierra y Marte varían dentro de un cierto rango, la mínima distancia posible es de unos 55 millones de km y la máxima posible es de unos 400 millones de km.

Estas son distancias enormes en comparación a todo lo que se ha volado en misiones tripuladas al espacio hasta ahora. La distancia máxima a Marte viene a ser 1.000 veces mayor que la que hay entre la Tierra y la Luna, lo que viene a ser 1.000.000 de veces mayor que la distancia que separa la superficie terrestre de las órbitas LEO a las que se viaja normalmente.

Distancias aproximadas mínima y máxima posibles entre la Tierra y Marte. Como referencia, la distancia media de la Tierra a la Luna es de 380.000 km.

Sin necesidad de conocer nada más, los datos acerca de la distancia a Marte ya constituyen una buena pista para empezarnos a asomar a la magnitud del problema. Para apreciarlo mejor, y sin entrar en detalles relativos a métodos de propulsión o dinámica orbital, vamos a comparar en números redondos dos misiones tripuladas, una orbital alrededor de la Tierra para un solo tripulante y otra lunar de tres tripulantes, para hacernos una idea de la progresión en la masa necesaria de los cohetes involucrados para llevar a cabo estas misiones y entender el contexto de lo que supondrá una misión a Marte.

Empezamos con la primera misión orbital del Programa Mercury de principios de los ’60: la Mercury 6 de John Glenn. Aquí se precisó de un cohete Atlas de 120 toneladas y 29 metros de altura para poner en una órbita de 200 km de altitud media alrededor de la Tierra una masa útil de 1,2 toneladas formada por una cápsula Mercury con su único tripulante, el cual permaneció en el espacio 5 horas.

Veamos ahora lo que cambia la situación al tener a la Luna como destino unas 1.000 veces más lejos. En el caso del Apolo 17 -la última misión de exploración lunar-, su módulo de mando y servicio más su módulo lunar, sumando todo cerca de 50 toneladas, hubieron de ser lanzados a la Luna por el poderoso cohete Saturno V de unas 3.000 toneladas y de 110 metros de altura para una misión de una duración total de unos 12 días y medio en la que 2 de sus tripulantes permanecieron sobre la superficie lunar algo más de 3 días.

Cohete lunar Saturno V junto al cohete Atlas del Programa Mercury para un tripulante (Transbordador Espacial incluido como referencia). Fuente: http://historicspacecraft.com/.

Vemos así el salto cuantitativo necesario cuando queremos ir a otro mundo que está 1.000 veces más allá de las órbitas bajas de la Tierra tanto en la masa útil a lanzar (de 1,2 a 50 toneladas) como en el tamaño del cohete lanzador requerido (de 120 a 3.000 toneladas). Comparemos todo esto con una misión a Marte. Aquí la tripulación constará de 6 astronautas y su duración, tomando como ejemplo la oportunidad en 2037, sería de 174 días para la ida y 201 días para la vuelta, con una estancia de 539 días en Marte. Una estancia tan larga en Marte sería necesaria a la espera de que la posición relativa entre este planeta y la Tierra fuera óptima para el regreso con un mínimo gasto de combustible, lo que ahorra el envío de centenares de toneladas de combustible. Todo esto supone un total de 914 días, o 2 años y medio.

Como vemos, el salto entre la Luna y Marte es descomunal, ya que doblar la tripulación y extender la duración a cerca de 73 veces la de la misión lunar más larga, supone la necesidad de proveer y transportar cerca de 150 veces más suministros. Por otra parte, una mayor duración de viaje interplanetario supone la necesidad de proveer a la tripulación de mayor protección contra las radiaciones, lo que se consigue en parte añadiendo aún más masa, aunque este problema no está aún resuelto.

Otro problema de la larga duración es que las cosas se rompen a lo largo de tanto tiempo. O bien se tendrá que mejorar sustancialmente la durabilidad de los equipos o estos habrán de poder ser repuestos por recambios que también habrá que transportar, lo que implica una mayor masa. Las naves de carga que visitan la ISS pueden abastecerla de repuestos cuando algo se estropea a bordo pero esta opción no será posible en una misión a Marte.

Una vez dicho todo esto, al igual que cuesta más acelerar y frenar un camión que un turismo por tener el primero más masa, tengamos en cuenta que enviar más masa a Marte implica transportar también más combustible para acelerar toda esa carga hacia Marte, para frenarla a la llegada a ese planeta, y para volver a la Tierra desde allí; y pensemos que todo ese combustible (centenares de toneladas) también hay que lanzarlo al espacio inicialmente.

En total, para una misión a Marte se requerirá lanzar al espacio entre 850 y 1.250 toneladas. Esta es una cantidad enorme si tenemos en cuenta que la Ia ISS tiene una masa de unas 420 toneladas y que una nave con la que estamos familiarizados como el Transbordador Espacial solo podía enviar al espacio entre 15 y 25 toneladas aproximadamente, dependiendo de la altitud de la órbita final. El Ariane 5 es capaz de poner unas 20 toneladas en órbita baja alrededor de la Tierra, al igual que el cohete ruso Protón, por ejemplo.

Así pues, a partir de todo esto, y sin saber mucho más, ya podemos anticipar de forma intuitiva que no se podrá utilizar un único cohete para ir a Marte, sino que se precisarán varios lanzamientos de cohetes -tanto o más poderosos que el Saturno V de los años ’60- para ensamblar en el espacio distintos elementos de propulsión, módulos de combustible, hábitats y naves, que habrán de enviarse a Marte por separado y por anticipado, además de la nave con la tripulación, que sería enviada en último lugar. Entraremos en estos detalles en la siguiente entrada.

Aunque depende de diversos factores, se requerirán, de hecho, del orden de 10 lanzamientos de cohetes con la capacidad del Saturno V o similar; pero recordemos que el número total de cohetes Saturno V que se enviaron a la Luna en todo el Programa Apolo fue de 9. El Saturno V fue retirado de servicio después del Porgrama Apolo pero ostenta el récord, aún a día de hoy, como el cohete operativo más poderoso que haya habido nunca, capaz de poner algo más de 120 toneladas en órbita baja alrededor de la Tierra y de enviar 50 toneladas a la Luna. Tuvo que ser específicamente diseñado y construido en su día para poder alcanzar la Luna, y no existe un lanzador de tanta capacidad en la actualidad. El cohete que se encargaría de la mayor parte de los lanzamientos en una futura misión a Marte se está desarrollando en la actualidad y se llama SLS (Space Launch System), el cual tendrá prestaciones parecidas o acaso un tanto mayores que el Saturno V.

Por otra parte, un tiempo de 174 días de ida en condición de ingravidez afecta profundamente a la fisiología humana, algo especialmente preocupante al llegar a un planeta donde no hay nadie para asistirte. Las naves que se pueden ver en las películas (incluida la película ‘Marte’), con un amplio y confortable habitáculo en forma de donut girando para simular la aceleración de la gravedad, no son realistas en la actualidad.

Dos años y medio es un tiempo muy largo también por razones psicológicas. La Tierra será vista por la tripulación como un punto de luz semejante a una estrella durante la mayor parte del viaje y será apenas imperceptible en la noche marciana cuando fuera visible. La tripulación tendrá que convivir en una condición de confinamiento permanente en un espacio reducido en una situación de gran estrés, y con la imposibilidad de mantener conversaciones fluidas con los seres queridos en la Tierra debido al tiempo de viaje de la señal.

Después de todo esto, y aunque no se han mencionado todas las dificultades técnicas, tecnológicas y operativas, creo que ahora puede apreciarse un poco mejor a lo que nos enfrentamos en una misión a Marte. A partir de aquí, y una vez expuesta esta perspectiva para contextualizar el problema y entrar en materia, en la siguiente entrada explicaré cómo se plantea en la actualidad una misión humana a Marte y cómo se relaciona con lo que se ve en la película ‘Marte’ (The Martian).

sigue en la II parte

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Fotograma de la película ‘Marte’ (‘The Martian’). EM

¿Por qué es difícil ir a Marte? (II)

En la pasada entrada contextualizamos el problema de una misión humana a Marte para apreciar la dimensión del desafío que supone. Como vimos, la principal razón que la hace difícil es la enorme distancia que nos separa de ese planeta, lo que implica que la misión tendría una duración total de aproximadamente 2 años y medio. En esta entrada vamos a concretar cómo se plantea hoy en día esta misión, tomando como ejemplo la oportunidad para el año 2037.

Según está propuesto en la actualidad, para completar una misión humana a Marte serán necesarias 3 naves: dos de carga y una para la tripulación. Una de las naves de carga transportará a Marte el hábitat que albergará a la tripulación durante su estancia de 539 días en la superficie marciana. Este hábitat se denomina SHAB (Surface Habitat), y es ahí donde Mark Watney, el protagonista de ‘Marte’ The Martian, trata de sobrevivir en solitario.

La otra nave de carga es el denominado ‘vehículo de descenso y ascenso’, o DAV (Descent and Ascent Vehicle). El DAV es la nave a bordo de la que la tripulación, una vez acabada su estancia en Marte, abandonará este planeta, y es, por tanto, la nave que utiliza la tripulación al principio de la película para abortar su estancia en la superficie marciana en medio de una feroz tormenta de arena.

La nave con la tripulación es conocida como ‘vehículo de transferencia para Marte’, o MTV (Mars Transfer Vehicle), y es la que se encargará de transportar a la tripulación en sus dos trayectos interplanetarios: el de ida a Marte y el de regreso a la Tierra (las naves de carga solo tienen tiques de ida).

 

Concepto de vehículo de transferencia de tripulación para Marte. Fuente: NASA.

Estas tres naves habrán de ensamblarse en una órbita baja alrededor de la Tierra antes de ser enviadas por separado a Marte, pero estos ensamblajes y envíos se harán en tiempos distintos. Las naves de carga (SHAB y DAV) serán las primeras en ser ensambladas, y serán lanzadas al planeta rojo dos años antes que el MTV con la tripulación. ¿Por qué dos años? Porque es aproximadamente cada dos años que se da la posición relativa precisa entre Marte y la Tierra que permite que entre ambos planetas se pueda volar una trayectoria por la que se minimiza la cantidad de combustible a utilizar. Esto es de gran importancia porque son muchas las toneladas de combustible que se necesitan para hacer posible una misión así, como veremos luego.

 

Concepto de nave de carga para Marte. Fuente: NASA.

Una vez ensamblada cualquiera de estas tres naves en órbita alrededor de la Tierra, cada una de ellas es lanzada desde ahí hacia Marte a través del encendido de sus motores durante un corto espacio de tiempo. La nave es así acelerada hasta adquirir la velocidad necesaria para abandonar la influencia gravitatoria terrestre y dirigirse hacia Marte a lo largo de una trayectoria interplanetaria que es, en realidad, una órbita elíptica alrededor del Sol y cuyo punto más lejano intersectará con el paso de Marte por ese punto en el momento preciso. Cuando la velocidad deseada ha sido alcanzada, los motores se apagan y permanecen así durante toda la travesía (se encenderán en algún momento para hacer alguna corrección en la trayectoria). A pesar de encender los motores durante un corto espacio de tiempo, del orden de pocos minutos o decenas de minutos, la cantidad de combustible que se utiliza es enorme (decenas de toneladas).

Este lanzamiento hacia Marte desde una órbita baja alrededor de la Tierra se denomina ‘inyección transmarciana’, y nos referimos a él como TMI (Trans-Mars Injection). Nótese que al regreso de la tripulación desde Marte, el mismo proceso ocurrirá desde allí en sentido inverso: desde una órbita alrededor de Marte, la nave encenderá sus motores por un corto espacio de tiempo en lo que se denomina ‘inyección transterrestre’, o TEI (Trans-Earth Injection).

Una vez llegada una nave a las proximidades de Marte, esta debe frenarse para quedar capturada en una órbita alrededor de ese planeta desde donde acometer las siguientes operaciones. Esta maniobra de frenado se denomina ‘inserción en órbita marciana’, o MOI (Mars Orbit Insertion). El MOI puede hacerse de forma propulsada, encendiendo los motores otro corto espacio de tiempo, o de forma aeroasistida, utilizando la atmósfera marciana para frenar la nave en una maniobra llamada ‘aerocaptura’. Esta última opción se ha propuesto solo para las naves de carga de forma que sería mucho el combustible que se ahorraría en la misión. El problema es que nunca se ha volado una aerocaptura hasta la fecha, con lo que esta capacidad habría de ser demostrada antes. El SHAB (la nave portando el hábitat) permanecerá en órbita alrededor de Marte a la espera de la tripulación, pero el DAV (vehículo de descenso y ascenso) descenderá a la superficie marciana de forma autónoma.

El DAV será la nave de ascenso que utilizará la tripulación en su día para despegar de la superficie al acabar su estancia en el planeta rojo. Con objeto de ahorrar el combustible necesario para ese lanzamiento, se propone que el DAV no porte el combustible con él, sino que lo produzca en Marte, in situ. Y es que sería prohibitiva la masa de una nave que descendiera a la superficie de Marte con el combustible para el lanzamiento posterior de 6 personas al finalizar su estancia allí. De hecho, se propone que el DAV no solo produzca in situ el combustible, siendo el metano/oxígeno la opción preferida, sino que también produzca el oxígeno, nitrógeno y el agua necesarios para la tripulación. Esta es otra área que precisa investigación y desarrollo tecnológico.

Dos años después de haber enviado las dos naves de carga, y después de comprobar que los consumibles (combustible, aire, agua) hayan sido producidos en Marte y de que todo allí funcione correctamente, la tripulación será lanzada finalmente al planeta rojo desde la Tierra. Una vez en órbita alrededor de Marte, el MTV (la nave en la que viaja la tripulación) se encontrará con el SHAB, que lo espera en órbita alrededor de Marte. Los astronautas pasarán al SHAB y procederán a bordo de esta nave al descenso a la superficie, donde aterrizarán a una corta distancia del DAV.

Ejemplo de misión a Marte propuesta para la oportunidad de 2037. Fuente: NASA.

El descenso a Marte de naves de tanta masa es a día de hoy un problema no resuelto. Hasta la fecha se han enviado a Marte vehículos exploradores y aterrizadores de muy poca masa. El principal problema reside en que la atmósfera marciana es muy tenue y no consigue frenar una nave de reentrada lo suficiente sin necesidad de emplear retropropulsión supersónica o enormes superficies de frenado si la nave es lo suficientemente masiva. La tecnología a día de hoy permite como máximo aterrizar en Marte masas de alrededor de una tonelada, un valor muy lejano de las naves de varias decenas de toneladas que habrá que poder aterrizar en una misión humana, por lo que nuevas técnicas y tecnologías deberán también ser desarrolladas para este propósito, un área de investigación en el que personalmente trabajo parcialmente en la actualidad.

Después de los 539 días de estancia en Marte, la tripulación será lanzada en la etapa de ascenso del DAV al encuentro del MTV, que habrá permanecido en órbita alrededor de Marte todo ese tiempo. Una estancia tan larga en Marte sería necesaria a la espera de que la posición relativa entre este planeta y la Tierra fuera óptima para el regreso con un mínimo gasto de combustible, lo que ahorra el envío de ingentes cantidades de combustible. Una vez transferidos al MTV, se procederá a la inyección transterrestre por la que los astronautas regresarán a casa unos 200 días después, para acabar haciendo una reentrada en la atmósfera de la Tierra a bordo de una cápsula Orion, la cual está siendo desarrollada en la actualidad.

Muchas personas me preguntan si sería posible reducir la estancia en Marte. Efectivamente, la estancia podría reducirse a tiempos de entre 30 y 90 días; pero, en ese caso, los tránsitos interplanetarios habrían de ser muy largos, de mas de 200 días de ida y de unos 400 días de vuelta; requiriendo, además, maniobras de asistencia gravitatoria en el camino; de otra manera, el coste sería prohibitivo. Se favorece la opción de viajes cortos y estancias largas para reducir la exposición de la tripulación a la radiación. Estando en Marte, el mismo planeta bloquea el 50% de la radiación a la que estarían expuestos los astronautas, ademas de que ciertas medidas de protección serian mas fáciles de implantar.

Como se ha dicho constantemente, las masas involucradas en una misión humana a Marte son enormes. Un elemento que contribuye significativamente a esto es el combustible, y es por esta razón que se ha propuesto la opción de utilizar propulsión nuclear-térmica en lugar de propulsión química, tal y como ha sido el caso en todas las misiones tripuladas hasta la fecha. Esta no es una decisión baladí ya que el ahorro en combustible entre una opción y otra es de unas 400 toneladas; esto es, aproximadamente la masa de una Estación Espacial Internacional (ISS). Para poner esto en perspectiva, apuntemos que se precisaron 10 años para ensamblar la ISS y algo más de una treintena de lanzamientos (aunque de menor capacidad que el Saturno V).

Según se estima en la actualidad, para llevar a cabo una única misión a Marte habrá que lanzar al espacio desde la Tierra un total de 850 toneladas en caso de que se utilice propulsión nuclear-térmica, o 1.250 toneladas en caso de utilizar propulsión química. Esto son 2 o 3 Estaciones Espaciales Internacionales. Asumiendo que un cohete lanzador de prestaciones similares al Saturno V de las misiones lunares puede emplazar 120 toneladas en una órbita baja alrededor de la Tierra, el número de lanzamientos requeridos en una sola misión humana a Marte sería aproximadamente de 7 u 11, dependiendo del tipo de combustible, y asumiendo que todos los elementos necesarios puedan ponerse en órbita con un lanzador así. El envió de la tripulación precisaría de un lanzamiento especifico a bordo de un cohete de menor capacidad, por ejemplo, y es posible que ciertas tareas de ensamblaje puedan requerir asistencia humana también.

Existen muchas variaciones en las arquitecturas propuestas para misiones tripuladas a Marte pero lo expuesto aquí refleja lo que viene a ser la arquitectura de referencia que se considera hoy en día. En cualquier caso, la envergadura de una misión humana a Marte es sobrecogedora. Espero que estas dos ultimas entradas hayan ayudado a entender un poco mejor la magnitud de una empresa tan ambiciosa y compleja. Las dificultades técnicas, operativas y tecnológicas que encierra no son para nada triviales, y resulta imposible siquiera mencionarlas todas en una entrada de un blog. Se requiere aún el desarrollo de tecnologías inexistentes en la actualidad para llevar a cabo una misión así, y muchas de las cuestiones planteadas no están aún resueltas. Aún estamos lejos de poder enviar seres humanos a Marte, pero también hace un siglo se estuvo muy lejos de alcanzar el espacio y la Luna. Estoy seguro de que el ser humano llegará a Marte algún día si así lo desea, pero creo, y esta es una opinión estrictamente personal, que ese día está más lejos de lo que muchos puedan pensar.

Fuente: NASA

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