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Ingeniería de las misiones espaciales

Pablo García Zavala

Pablo García Zavala

AERTEC / Airport On-site Supervision

El avance de la tecnología, la competencia –pero también la colaboración– entre agencias espaciales y la aparición de la iniciativa privada están mejorando exponencialmente las expectativas de viajes espaciales. Hoy en día somos capaces de mantener satélites en órbita, aterrizar sobre cometas helados, recibir señales de una nave que se encuentra en los límites del Sistema Solar e incluso subir a quien se lo pueda permitir a contemplar la oscuridad del espacio exterior y la curvatura del planeta. Todos estos retos son misiones espaciales.

Cada misión de una nave al espacio es un ejercicio de precisión en el que intervienen muchas disciplinas de conocimiento y donde el riesgo cero no existe.

Para definir qué es una misión espacial es necesario establecer dónde empieza el espacio. Su delimitación se ha convertido en una controversia de actualidad porque algunos magnates tratan de promocionar a sus empresas como pioneras del turismo espacial mediante campañas de marketing a la carrera. Sea cual sea el límite –a partir de la termosfera, a 80 km, o a partir del límite de Kármán, a 100 km–, se puede considerar que una misión espacial es un vuelo para cumplir determinados objetivos más allá de esa línea que divide nuestro mundo cotidiano de cielo azul y el espacio. Una definición amplísima que abarca desde un satélite en órbita baja de observación de la Tierra hasta las sondas Voyager que van camino de otros sistemas estelares. También incluye la Estación Espacial Internacional o el lanzamiento por parte de Space X de un coche deportivo, que se encuentra actualmente orbitando al Sol.

La realización de las misiones espaciales requiere generalmente de colaboración estrecha entre una o varias agencias del espacio y la industria, que se reparten las complejas tareas de diseño, ensamblaje, testeo de las naves y el conocido como análisis de misión. Todas son fases previas al lanzamiento salvo el último, que constituye el seguimiento y la toma de decisiones que gobernarán la vida de esa nave.

Es frecuente que nos preguntemos cómo es posible que una nave espacial pueda visitar cuatro planetas exteriores y viajar más de 20.000 millones de km a través del espacio durante 40 años, una gran parte de ellos con tan solo un pequeño remanente de combustible. O cómo una gran cantidad de satélites, en el entorno gravitatorio de la Tierra, pueden convivir en la misma zona y cumplir sus objetivos. O también cómo evitan colisiones entre ellos mismos o con objetos de basura espacial, tales como equipos inactivos o fragmentos metálicos resultantes de fatales colisiones (que, de hecho, han ocurrido y han de evitar que se repitan, ya que en una sola de ellas se generan miles de esos fragmentos de todos los tamaños).

Todo ello es posible gracias al análisis de misión y a la orbitografía, que estudia las trayectorias de los objetos en los campos gravitatorios, generalmente adaptada a masas pequeñas como naves que se mueven alrededor de elementos colosales como lunas, planetas o el Sol. Permite a los ingenieros saber cuál es la ventana temporal idónea para lanzar un artefacto con pretensiones de llegar muy lejos –como Voyager 1 y 2, Pioneer, New Horizons–, de manera que sea capaz de interceptar en su camino a los planetas exteriores gigantes y aprovechar su enorme masa para ganar inercia. Este proceso se denomina asistencia gravitatoria y se basa en el intercambio de energía entre los dos cuerpos: uno enorme, el planeta, y otro mucho menor, al menos veinte órdenes de magnitud menor, la nave.

A través de esta maniobra –pura mecánica celeste, cuya base matemática, como toda la de la orbitografía(1), se describe en las ecuaciones de Gravitación Universal de Newton de 1687– la nave recibe parte de la energía del objeto masivo y lo ralentiza levemente(2). Si la ejecución es precisa, el cambio de dirección y el aumento de la celeridad harán el viaje mucho más eficiente. Pero si no lo es, la nave tomará una dirección distinta pudiendo incluso salir despedida del plano del Sistema Solar.

Gracias a viajes que utilizaron la asistencia gravitatoria sabemos mucho más, entre otras cosas, de los planetas gigantes exteriores. Voyager 1 visitó los gigantes gaseosos, Júpiter y Saturno, descubrió lunas nuevas y desveló incógnitas de las ya conocidas, aquellas que habíamos visto desde aquí. Voyager 2, además de eso, alcanzó los gigantes helados, Urano y Neptuno, por primera y última vez, aportó las únicas fotos in-situ que existen y descubrió de nuevo otras lunas con características asombrosas. Las lunas de estos planetas, principalmente algunas de los gigantes gaseosos como Encélado o Europa, son candidatas para albergar vida. Poseen océanos de agua bajo las capas de hielo, en ellos existen moléculas complejas de carbono que afloran a través de sus grietas y se ha observado actividad tectónica -en algunos casos como Ío, volcánica- en sus superficies. Dado el gran interés en regresar para explorarlas de nuevo, las principales agencias espaciales ya están llevando a cabo misiones como Juno y Juice, de NASA y ESA, respectivamente.

El análisis de misión es también fundamental para calcular cuánta energía hay que aplicar para corregir los efectos del drag, la resistencia que opone la atmósfera a los satélites que orbitan la Tierra. Aunque no es densa a esas alturas, sí que es capaz de reducir su velocidad y, como consecuencia, modificar la órbita. La manera de expresar esa autonomía es el llamado deltaV, concepto muy común en la ingeniería aeroespacial que representa la equivalencia entre cantidad de combustible y capacidad de modificar la velocidad de las naves.

Por otro lado, es igualmente esencial para los lanzamientos, sus etapas y las órbitas de transición, que requieren máxima precisión. Para llevar a esos turistas que quieren contemplar la curvatura de nuestro planeta o para posar en la luna, en Marte o en un cometa un lander, como en el caso de Philae de la misión Rosetta de la ESA.

Todas estas misiones tendrán continuidad y hay muchas más previstas, por lo que se espera crecimiento de la industria aeroespacial. Empresas con experiencia en navegación aérea, sistemas de defensa y desarrollo de software se posicionan favorablemente como proveedores de soluciones vinculadas al análisis de misión.

Hay mucho por hacer y mucho por vivir en la exploración espacial. De hecho, acabamos de empezar.

 

Ingeniería de las misiones espaciales - NASA Hubble CC-BY-SA-2.0

 

(1) A excepción de las regiones muy próximas al Sol u otros objetos

(2) Aunque sea insignificante, un planeta decelera cuando empuja a una nave. Evidentemente, solo los efectos en la nave son trascendentales.

 

 

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