Los desastres del transbordador espacial Challenger y Columbia fueron quizás dos de los recordatorios más prominentes de lo importante que es que todo funcione a la perfección para una nave espacial, con el fin de poder viajar al espacio y regresar con éxito a la Tierra.
Independientemente de que se trate de un sello defectuoso utilizado para detener el escape de gases calientes, o un trozo de espuma aislante que dañó seriamente el sistema de protección térmico, los científicos e ingenieros deben realizar miles de predicciones de todas las cosas que podrían salir mal durante el vuelo.
La misión humana al planeta Marte de la NASA presenta aún más desafíos al querer enviar humanos a una distancia mucho más lejana, y sobre todo a un ambiente más peligroso. Diseñar una nave espacial que pueda entrar y salir con seguridad de la impredecible atmósfera del planeta Marte es un gran reto.
«Cada vez que volamos a Marte, aprendemos un poco más y obtenemos más conocimientos», dijo Walter Engelund, del Centro de Investigación Langley de la NASA. «Una cosa que hemos aprendido es que la atmósfera de Marte es, sin duda, una gran variable. Es mucho más dinámica que nuestra propia atmósfera terrestre».
Para las misiones que requieren ingresar y regresar de una atmósfera, el diseño de la nave espacial suele guiarse por su “Sistema EDL” (Entrada, Descenso y Aterrizaje por sus siglas en inglés).
Engelund, junto con varios otros colegas de la NASA, publicaron una revisión de los sistemas de EDL, propuesta actualmente para una futura misión tripulada al planeta Marte en un reciente libro titulado «La misión humana a Marte. Colonización del planeta rojo.» El libro consiste en una recopilación de estudios escritos por un equipo de más de 70 científicos, entre ellos, cuatro astronautas (dos que caminaron sobre la Luna), y que ofrece una guía detallada sobre cómo llevar a cabo con éxito una misión humana a Marte. Engelund es el autor principal del estudio EDL.
Gestión del peso
Hasta el momento, la NASA ha llevado a cabo seis exitosas sondas exploradoras en Marte: Vikingo I y II, Pathfinder, MER Spirit y Opportunity, y Phoenix. Sin embargo, todas estas misiones consistieron en misiones robóticas con vehículos que eran significativamente más ligeros que una nave espacial, transportando astronautas, suministros y combustible para un viaje de ida y vuelta.
El desarrollo de sistemas para una misión tripulada a Marte requerirá de un cuidadoso ejercicio de equilibrio, entre minimizar el peso y encontrar la manera de utilizar la menor cantidad de combustible posible.
El 14 de enero de 2004, el presidente George W. Bush dio un discurso en el cuartel general de la NASA, en el que describió un “nuevo rumbo» para el programa espacial, que “extendería la presencia humana a través del sistema solar”.
Con el recordatorio de que había pasado ya casi un cuarto de sigo desde que los Estados Unidos desarrollaron un nuevo vehículo para la exploración espacial, Bush hizo un llamado para la creación de un nuevo y moderno vehículo espacial tripulado.
«Vamos a construir nuevas naves para llevar adelante al hombre hacia el universo, para obtener un nuevo punto de apoyo en la Luna, y prepararnos para nuevos viajes a mundos más allá del nuestro», dijo Bush.
Como respuesta a la visión del presidente Bush sobre exploración espacial, la NASA, en mayo de 2005, inició un programa denominado Sistema de Estudio y Arquitectura para la Exploración (ESAS), que servirá de modelo para los desarrollos de futuras naves espaciales que eventualmente enviarán seres humanos a la Luna y al planeta Marte. Es posible que la NASA utilice o no las especificaciones indicadas en este estudio, pero cualquiera que sea la arquitectura que utilice, será muy diferente a la de las misiones robóticas utilizadas hoy en día.
«Cuando queramos enviar humanos a la superficie de Marte, vamos a necesitar un sistema EDL capaz de entregar al menos 10 veces la masa y el volumen de las actuales misiones robóticas», dijo Engelund. «La NASA en realidad, ha estado reflexionando sobre ello seriamente durante los últimos años.»
La NASA ha enviado varias misiones robóticas con éxito a Marte. El diseño de una nave espacial para llevar a los seres humanos al planeta rojo y regresar de manera segura a la Tierra, sigue siendo un desafío.
Al menos 55 millones de kilómetros separan al planeta Marte de la Tierra (la distancia entre los dos planetas varía durante sus órbitas elípticas alrededor del Sol).
Uno de los mayores obstáculos de diseño al que los ingenieros se enfrentan, se trata de la cantidad de combustible que se necesita para enviar una nave espacial a una distancia de ida y vuelta. Más combustible significa más peso, y más peso significa la necesidad de más combustible para transportar ese peso.
La órbita de Marte con menos combustible
Por razones operativas y de seguridad, la nave espacial que viajará a Marte probablemente no aterrizará en la superficie inmediatamente después de que llegue al planeta rojo.
«Para una misión a escala humana, es muy probable que vayamos a tener una nave espacial que se mantenga en órbita con alimentos y suministros para el viaje a casa, y también para un «refugio seguro» en caso de que algo vaya mal en la superficie», comentó Engelund.
Lo que los científicos están planeando, es que la nave espacial se introduzca primero en la órbita de Marte, para posteriormente desplegar un módulo de aterrizaje hasta su superficie. La capacidad de orbitar primero al planeta antes de aterrizar dará a los astronautas la oportunidad de monitorear la atmósfera y así asegurarse de que no haya tormentas de polvo o condiciones meteorológicas adversas en el lugar donde se planea el aterrizaje.
Para la entrada en la órbita de Marte, los científicos planean utilizar un método llamado aerocaptura que nunca antes ha sido puesto en práctica.
«Uno de los problemas de llevar una nave hasta otro planeta es que primero debemos sacarla de la órbita de la Tierra», explicó Engelund. «Tenemos que acelerarla a una velocidad lo suficientemente alta como para romper el campo gravitatorio de la Tierra. Entonces, cuando la nave llegue a su planeta de destino, tenemos que reducirle la velocidad lo suficiente para que “sea capturado” en la órbita alrededor del campo de gravedad de Marte». Este proceso se le denomina “aerofrenado” y ha sido utilizado con éxito en las misiones anteriores al planeta rojo.
El aerofrenado utiliza propulsión para insertar primero la nave espacial en la órbita de captura, y luego circundar al paneta hasta alcanzar la órbita deseada (también es conocido como ajuste órbita). La nave pasa a través de la parte superior de la atmósfera marciana varias veces. Por otro lado, la aerocaptura lleva a cabo la captura de la órbita y el ajuste de órbita en una sola pasada a través de la atmósfera más profunda.
Por lo general, la ralentización de una nave espacial se realiza mediante el disparo de retrocohetes, o cohetes que se disparan en la dirección opuesta a la dirección en la viaja la nave espacial.
Según Engelund, este método requiere una gran cantidad de combustible que ha de llevarse todo el camino hasta que la nave espacial llegue a Marte. Se añade peso adicional a un vehículo ya más pesado, y es muy costoso.
La maniobra de aerocaptura utiliza el arrastre causado por la atmósfera superior del planeta, para reducir la velocidad del vehículo espacial. La atmósfera, en este caso, sirve de «freno» para el vehículo, eliminando la necesidad de combustible adicional.
A pesar de las ventajas de usar el método de aerocaptura, los científicos también han estudiado algunos de los inconvenientes, y la forma de hacer frente a algunos de los posibles problemas que puedan surgir.
Según los autores de este informe, los estudios históricos han demostrado que la aerocaptura es una tecnología de bajo riesgo. Sin embargo, muchos de esos estudios se basaron en pequeñas cargas útiles más apropiadas para misiones robóticas.
Durante la maniobra de aerocaptura, la nave debe realizar una inmersión profunda a través de la atmósfera de Marte. La fricción experimentada durante la entrada, hace que la energía de la velocidad del vehículo sea transferida en calor.
Este calentamiento requerirá de una protección térmica adicional (Aeroshell), y un sistema de protección térmico para proteger el interior de la nave. Engelund comentó que incluso con estos componentes adicionales, el uso de la aerocaptura todavía requerirá de menos peso para entrar en la órbita de Marte con un método de propulsión accionado por combustible.
El otro posible problema es con el software de la computadora, que guía la nave espacial durante el pase de aerocaptura. El programa que se utiliza es lo suficientemente inteligente como para determinar los parámetros importantes: profundidad de inserción en la atmósfera donde la nave espacial tiene que ir, monitoreo del progreso de inserción en tiempo real, y realizar los ajustes precisos para llegar a la órbita correcta.
Precisión, sin embargo, es la clave
«Demasiada profundidad de inserción, y se quemarán», explicó Engelund. «Una inserción poco profunda, no podrá quitar la energía suficiente para reducir la velocidad de la nave espacial y lograr una inserción en la órbita de Marte, haciendo que la nave sobrevuele al planeta sin lograr la aerocaptura”.
Un conocimiento más profundo de la atmósfera de Marte, ayudará a los científicos afinar este procedimiento.
«Pero estas son todas las cosas que hemos estado estudiando durante años (incluso décadas), y estamos seguros de que podremos diseñar un sistema de aerocaptura utilizando la tecnología actual», dijo Engelund.
Las limitaciones presupuestarias para vuelos a Marte
El presidente Barack Obama, al hablar en una conferencia en el Centro Espacial Kennedy de la NASA, reiteró el compromiso de Estados Unidos para el envío de un ser humano al planeta Marte.
«Para el año 2025 esperamos que la nueva nave espacial diseñada para realizar viajes largos, nos permita realizar las primeras misiones tripuladas que los lleve más allá de la Luna, hacia el espacio profundo», dijo Obama. «Vamos a empezar por el envío de astronautas a un asteroide por primera vez en la historia. A mediados de la década de 2030, creo que podemos enviar humanos a la órbita de Marte y regresarlos sanos y salvos a la Tierra. Y posteriormente poder realizar aterrizajes en Marte”.
Desde entonces, la NASA ha sido sometida a recortes presupuestarios que tendrán un impacto en los diversos programas, entre ellos los que se ocupan de diseñar la nave espacial para vuelos de larga distancia.
«Creo que la NASA ha decidido dar un paso atrás y mirar a una amplia gama de inversiones en tecnología para permitir la futura exploración espacial, más allá de nuestra propia órbita de la Tierra», dijo Engelund.
Algunos de estos recortes llegarán hasta el programa marciano y determinarán la posibilidad y el momento en el que los humanos puedan explorar el planeta rojo.
«Desafortunadamente, el desarrollo está estrechamente ligado al presupuesto», dijo Ayanna Howard, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática, y miembro del programa de Doctorado en Robótica del Instituto de Tecnología de Georgia. «Si la financiación disponible es suficiente, entonces los científicos e ingenieros deben ser capaces de desarrollar los componentes “EDL” necesarios para las misiones tripuladas a Marte dentro de los próximos 30 años. Si no se asignan suficientes recursos, esta línea de tiempo podría no ser factible. «
Con una misión tripulada a Marte que aún requiere una gran cantidad de investigación e inversión, los científicos y los gobiernos pueden tener que considerar opciones alternativas, si quieren ver a un ser humano (de cualquier país del planeta) en la superficie de Marte.
«Creo que hay una sensación real de que la NASA no puede permitirse el lujo de irse por libre, y debe de mirar hacia asociaciones o cooperaciones internacionales», dijo Engelund. «Personalmente creo que hay un enorme potencial para enviar seres humanos a Marte, y qué mejor manera de hacerlo que con una campaña global que permita a muchas naciones trabajar juntas».
Esta historia fue proporcionada por Astrobiology Magazine, una publicación basada en la web patrocinado por el programa de Astrobiología de la NASA.