Vuelo espacial interplanetario

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Vuelo espacial
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Los vuelos espaciales interplanetarios o viajes interplanetarios son viajes tripulados o no tripulados entre estrellas y planetas , generalmente dentro de un solo sistema planetario . ^[1] En la práctica, los vuelos espaciales de este tipo se limitan a los viajes entre los planetas del Sistema Solar . Las sondas espaciales no tripuladas han volado a todos los planetas observados en el Sistema Solar, así como a los planetas enanos Plutón y Ceres , y varios asteroides . Los orbitadores y los módulos de aterrizaje devuelven más información que las misiones de sobrevuelo. Los vuelos tripulados han aterrizado en la Luna y se han planeado, de vez en cuando, para Marte , Venus y Mercurio . Si bien muchos científicos aprecian el valor del conocimiento que brindan los vuelos no tripulados, el valor de las misiones tripuladas es más controvertido. Los escritores de ciencia ficción proponen una serie de beneficios, incluida la minería de asteroides, el acceso a la energía solar y espacio para la colonización en caso de una catástrofe terrestre.

Se han desarrollado diversas técnicas para hacer más económicos los vuelos interplanetarios. Los avances en informática y en ciencia teórica ya han mejorado algunas técnicas, mientras que nuevas propuestas pueden llevar a mejoras en velocidad, economía de combustible y seguridad. Las técnicas de viaje deben tener en cuenta los cambios de velocidad necesarios para viajar de un cuerpo a otro en el Sistema Solar. Para los vuelos orbitales, se debe realizar un ajuste adicional para que coincida con la velocidad orbital del cuerpo de destino. Otros avances están diseñados para mejorar el lanzamiento y la propulsión de cohetes, así como el uso de fuentes de energía no tradicionales. El uso de recursos extraterrestres para obtener energía, oxígeno y agua reduciría los costos y mejoraría los sistemas de soporte vital.

Todo vuelo interplanetario tripulado debe cumplir ciertos requisitos de diseño. Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de soportar vidas humanas durante períodos prolongados. Se necesitan medidas preventivas para reducir la exposición a la radiación y garantizar una fiabilidad óptima.

Las sondas espaciales guiadas a distancia han sobrevolado todos los planetas observados del Sistema Solar, desde Mercurio hasta Neptuno ; la sonda New Horizons ha sobrevolado el planeta enano Plutón y la nave espacial Dawn orbita actualmente el planeta enano Ceres . Las naves espaciales más distantes, Voyager 1 y Voyager 2, han abandonado el Sistema Solar el 8 de diciembre de 2018, mientras que Pioneer 10 , Pioneer 11 y New Horizons están en camino de abandonarlo. ^[2]

En general, los orbitadores planetarios y los módulos de aterrizaje devuelven información mucho más detallada y completa que las misiones de sobrevuelo. Se han colocado sondas espaciales en órbita alrededor de los cinco planetas conocidos por los antiguos: los primeros fueron Venus ( Venera 7 , 1970), Marte ( Mariner 9 , 1971), Júpiter ( Galileo , 1995), Saturno ( Cassini/Huygens , 2004) y, más recientemente, Mercurio ( MESSENGER , marzo de 2011), y han devuelto datos sobre estos cuerpos y sus satélites naturales .

La misión NEAR Shoemaker en 2000 orbitó el gran asteroide cercano a la Tierra 433 Eros , e incluso aterrizó allí con éxito, aunque no había sido diseñada con esta maniobra en mente. La nave espacial japonesa Hayabusa, con propulsión iónica, también orbitó en 2005 el pequeño asteroide cercano a la Tierra 25143 Itokawa , aterrizó brevemente en él y devolvió granos de su material superficial a la Tierra. Otra misión con propulsión iónica, Dawn , ha orbitado el gran asteroide Vesta (julio de 2011 – septiembre de 2012) y luego se trasladó al planeta enano Ceres , al que llegó en marzo de 2015.

En la superficie de Marte han aterrizado sondas controladas por control remoto como Viking , Pathfinder y los dos Mars Exploration Rovers , y varias naves espaciales Venera y Vega han aterrizado en la superficie de Venus, esta última desplegando globos en la atmósfera del planeta. La sonda Huygens aterrizó con éxito en la luna de Saturno, Titán .

No se han enviado misiones tripuladas a ningún planeta del Sistema Solar. Sin embargo, el programa Apolo de la NASA aterrizó doce personas en la Luna y las devolvió a la Tierra . La Visión Americana para la Exploración Espacial , introducida originalmente por el presidente estadounidense George W. Bush y puesta en práctica a través del programa Constelación , tenía como objetivo a largo plazo enviar eventualmente astronautas humanos a Marte. Sin embargo, el 1 de febrero de 2010, el presidente Barack Obama propuso cancelar el programa en el año fiscal 2011. Un proyecto anterior que recibió una planificación significativa por parte de la NASA incluía un vuelo tripulado sobre Venus en la misión Manned Venus Flyby , pero fue cancelado cuando el Programa de Aplicaciones Apolo fue terminado debido a los recortes presupuestarios de la NASA a fines de la década de 1960.

Los costos y riesgos de los viajes interplanetarios reciben mucha publicidad; ejemplos espectaculares incluyen el mal funcionamiento o fallas totales de sondas sin tripulación humana, como Mars 96 , Deep Space 2 y Beagle 2 (el artículo Lista de sondas del Sistema Solar brinda una lista completa).

Muchos astrónomos, geólogos y biólogos creen que la exploración del Sistema Solar proporciona conocimientos que no se podrían obtener mediante observaciones desde la superficie de la Tierra o desde la órbita alrededor de la Tierra. Sin embargo, no están de acuerdo en si las misiones tripuladas justifican su costo y riesgo. Los críticos de los vuelos espaciales tripulados argumentan que las sondas robóticas son más rentables y producen más conocimiento científico por cada dólar gastado; los robots no necesitan costosos sistemas de soporte vital, pueden ser enviados en misiones de ida y vuelta y se están volviendo más capaces a medida que avanza la inteligencia artificial. ^[3] Otros argumentan que tanto los astronautas como los científicos espaciales, asesorados por científicos terrestres, pueden responder de manera más flexible e inteligente a las características nuevas o inesperadas de cualquier región que estén explorando. ^[4]

Algunos miembros del público en general valoran las actividades espaciales principalmente por los beneficios tangibles que puedan aportarles a ellos mismos o a la raza humana en su conjunto. Hasta ahora, los únicos beneficios de este tipo han sido las tecnologías "derivadas" que se desarrollaron para misiones espaciales y que luego se consideraron al menos igual de útiles en otras actividades (la NASA publicita los beneficios derivados de sus actividades). Sin embargo, el apoyo público, al menos en los EE. UU., sigue siendo mayor para la investigación científica básica que para los vuelos espaciales tripulados; una encuesta de 2023 concluyó que los estadounidenses consideran que la investigación básica es su tercera prioridad más alta para la NASA, después del monitoreo de asteroides que ponen en peligro la Tierra y la comprensión del cambio climático. El apoyo a la investigación científica es aproximadamente cuatro veces mayor que al vuelo humano a la Luna o Marte. ^[5]

Además de los efectos secundarios, existen otras motivaciones prácticas para los viajes interplanetarios que son más especulativas. Pero los escritores de ciencia ficción tienen un historial bastante bueno en la predicción de tecnologías futuras, por ejemplo, los satélites de comunicaciones geoestacionarias ( Arthur C. Clarke ) y muchos aspectos de la tecnología informática ( Mack Reynolds ).

En muchas historias de ciencia ficción se describen detalladamente cómo se podrían extraer minerales de asteroides y energía de fuentes como paneles solares orbitales (sin la interferencia de las nubes) y el fortísimo campo magnético de Júpiter. Algunos afirman que estas técnicas pueden ser la única forma de proporcionar un nivel de vida en aumento sin que se vean frenados por la contaminación o el agotamiento de los recursos de la Tierra (por ejemplo, el pico del petróleo ).

También hay motivos no científicos para los vuelos espaciales humanos, como la aventura o la creencia de que los humanos tienen un destino espiritual predestinado en el espacio. ^{[6] [7]}

Por último, el establecimiento de colonias completamente autosuficientes en otras partes del Sistema Solar podría, si fuera factible, evitar que la especie humana fuera exterminada por varios eventos posibles (ver Extinción humana ). Uno de estos eventos posibles es un impacto de asteroide como el que pudo haber resultado en la extinción masiva del Cretácico-Paleógeno . Aunque varios proyectos Spaceguard monitorean el Sistema Solar en busca de objetos que podrían acercarse peligrosamente a la Tierra, las estrategias actuales para desviar asteroides son rudimentarias y no han sido probadas. Para hacer la tarea más difícil, las condritas carbonáceas son bastante sucias y, por lo tanto, muy difíciles de detectar. Aunque se cree que las condritas carbonáceas son raras, algunas son muy grandes y el supuesto " asesino de dinosaurios " puede haber sido una condrita carbonácea.

Algunos científicos, incluidos miembros del Instituto de Estudios Espaciales , sostienen que la gran mayoría de la humanidad acabará viviendo en el espacio y se beneficiará de ello. ^[8]

Uno de los principales desafíos en los viajes interplanetarios es producir los grandes cambios de velocidad necesarios para viajar de un cuerpo a otro en el Sistema Solar.

Debido a la atracción gravitatoria del Sol, una nave espacial que se aleje del Sol disminuirá su velocidad, mientras que una nave espacial que se acerque aumentará su velocidad. Además, dado que dos planetas cualesquiera se encuentran a diferentes distancias del Sol, el planeta desde el que parte la nave espacial se mueve alrededor del Sol a una velocidad diferente a la del planeta al que viaja la nave espacial (de acuerdo con la Tercera Ley de Kepler ). Debido a estos hechos, una nave espacial que desee trasladarse a un planeta más cercano al Sol debe disminuir su velocidad con respecto al Sol en una gran cantidad para interceptarlo, mientras que una nave espacial que viaja a un planeta más alejado del Sol debe aumentar su velocidad sustancialmente. ^[9] Luego, si además la nave espacial desea entrar en órbita alrededor del planeta de destino (en lugar de simplemente volar por él), debe igualar la velocidad orbital del planeta alrededor del Sol, lo que generalmente requiere otro gran cambio de velocidad.

Para realizar esta operación por la fuerza bruta (acelerar por la ruta más corta hasta el destino y luego igualar la velocidad del planeta) se necesitaría una cantidad de combustible extremadamente grande. Y el combustible necesario para producir estos cambios de velocidad debe ser lanzado junto con la carga útil, y por lo tanto se necesita aún más combustible para poner en órbita tanto la nave espacial como el combustible necesario para su viaje interplanetario. Por ello, se han ideado varias técnicas para reducir los requisitos de combustible de los viajes interplanetarios.

Como ejemplo de los cambios de velocidad involucrados, una nave espacial que viaja desde una órbita baja terrestre a Marte utilizando una trayectoria simple debe primero experimentar un cambio en la velocidad (también conocido como delta-v ), en este caso un aumento, de aproximadamente 3,8 km/s. Luego, después de interceptar Marte, debe cambiar su velocidad en otros 2,3 km/s para igualar la velocidad orbital de Marte alrededor del Sol y entrar en una órbita alrededor de él. ^[10] A modo de comparación, lanzar una nave espacial a la órbita baja terrestre requiere un cambio en la velocidad de aproximadamente 9,5 km/s.

Durante muchos años, los viajes interplanetarios económicos implicaban utilizar la órbita de transferencia de Hohmann . Hohmann demostró que la ruta de menor energía entre dos órbitas cualesquiera es una "órbita" elíptica que forma una tangente a las órbitas de partida y de destino. Una vez que la nave espacial llega, una segunda aplicación de empuje recirculará la órbita en la nueva ubicación. En el caso de las transferencias planetarias, esto significa dirigir la nave espacial, originalmente en una órbita casi idéntica a la de la Tierra, de modo que el afelio de la órbita de transferencia esté en el lado lejano del Sol, cerca de la órbita del otro planeta. Una nave espacial que viaje de la Tierra a Marte mediante este método llegará cerca de la órbita de Marte en aproximadamente 8,5 meses, pero debido a que la velocidad orbital es mayor cuando está más cerca del centro de masas (es decir, el Sol) y más lenta cuando está más lejos del centro, la nave espacial viajará bastante lentamente y una pequeña aplicación de empuje es todo lo que se necesita para ponerla en una órbita circular alrededor de Marte. Si la maniobra se realiza en el momento adecuado, Marte estará "llegando" debajo de la nave espacial cuando esto suceda.

La transferencia de Hohmann se aplica a dos órbitas cualesquiera, no sólo a aquellas en las que hay planetas involucrados. Por ejemplo, es la forma más común de transferir satélites a una órbita geoestacionaria , después de haber sido "estacionados" primero en una órbita terrestre baja . Sin embargo, la transferencia de Hohmann lleva un tiempo similar a la mitad del período orbital de la órbita exterior, por lo que en el caso de los planetas exteriores esto son muchos años, demasiado tiempo para esperar. También se basa en el supuesto de que los puntos en ambos extremos no tienen masa, como en el caso de la transferencia entre dos órbitas alrededor de la Tierra, por ejemplo. Con un planeta en el extremo de destino de la transferencia, los cálculos se vuelven considerablemente más difíciles.

La técnica de la honda gravitacional utiliza la gravedad de los planetas y las lunas para cambiar la velocidad y la dirección de una nave espacial sin utilizar combustible. En un ejemplo típico, una nave espacial se envía a un planeta distante en una trayectoria que es mucho más rápida que la que requeriría la transferencia de Hohmann. Esto normalmente significaría que llegaría a la órbita del planeta y continuaría más allá de ella. Sin embargo, si hay un planeta entre el punto de partida y el destino, se puede utilizar para desviar la trayectoria hacia el objetivo y, en muchos casos, el tiempo total de viaje se reduce considerablemente. Un excelente ejemplo de esto son las dos naves del programa Voyager , que utilizaron efectos de honda para cambiar de trayectoria varias veces en el Sistema Solar exterior. Es difícil utilizar este método para viajes en la parte interior del Sistema Solar, aunque es posible utilizar otros planetas cercanos como Venus o incluso la Luna como hondas en viajes a los planetas exteriores.

Esta maniobra sólo puede cambiar la velocidad de un objeto en relación con un tercer objeto no involucrado, posiblemente el "centro de masa" o el Sol. No hay cambio en las velocidades de los dos objetos involucrados en la maniobra entre sí. El Sol no puede usarse en una honda gravitacional porque es estacionario en comparación con el resto del Sistema Solar, que orbita alrededor del Sol. Puede usarse para enviar una nave espacial o una sonda a la galaxia porque el Sol gira alrededor del centro de la Vía Láctea.

Una honda motorizada es el uso de un motor de cohete en el punto de máxima aproximación a un cuerpo ( periapsis ). El uso en este punto multiplica el efecto del delta-v y produce un efecto mayor que en otros momentos.

Las computadoras no existían cuando se propusieron por primera vez las órbitas de transferencia de Hohmann (1925) y eran lentas, caras y poco confiables cuando se desarrollaron las hondas gravitacionales (1959). Los avances recientes en computación han hecho posible explotar muchas más características de los campos gravitatorios de los cuerpos astronómicos y, por lo tanto, calcular trayectorias de menor costo . ^{[12] [13]} Se han calculado trayectorias que vinculan los puntos de Lagrange de los diversos planetas en la llamada Red de Transporte Interplanetario . Estas "órbitas difusas" utilizan significativamente menos energía que las transferencias de Hohmann, pero son mucho, mucho más lentas. No son prácticas para misiones tripuladas humanas porque generalmente demoran años o décadas, pero pueden ser útiles para el transporte de gran volumen de productos de bajo valor si la humanidad desarrolla una economía basada en el espacio .

El aerofrenado utiliza la atmósfera del planeta de destino para reducir la velocidad. Se utilizó por primera vez en el programa Apolo, donde la nave espacial que regresaba no entró en la órbita terrestre, sino que utilizó un perfil de descenso vertical en forma de S (comenzando con un descenso inicialmente pronunciado, seguido de una nivelación, seguido de un ligero ascenso, seguido de un retorno a una tasa de descenso positiva para continuar amerizando en el océano) a través de la atmósfera de la Tierra para reducir su velocidad hasta que se pudiera desplegar el sistema de paracaídas, lo que permitió un aterrizaje seguro. El aerofrenado no requiere una atmósfera espesa; por ejemplo, la mayoría de los módulos de aterrizaje en Marte utilizan la técnica, y la atmósfera de Marte es solo un 1% tan espesa como la de la Tierra.

El aerofrenado convierte la energía cinética de la nave espacial en calor, por lo que requiere un escudo térmico para evitar que la nave se queme. Como resultado, el aerofrenado solo es útil en casos en los que el combustible necesario para transportar el escudo térmico hasta el planeta es menor que el combustible que se requeriría para frenar una nave sin escudo al encender sus motores. Esto se puede solucionar creando escudos térmicos a partir de material disponible cerca del objetivo. ^[14]

Se han propuesto varias tecnologías que ahorran combustible y permiten viajar considerablemente más rápido que la metodología tradicional de transferencias de Hohmann. Algunas de ellas todavía son solo teóricas, pero con el tiempo, varios de los enfoques teóricos se han probado en misiones espaciales. Por ejemplo, la misión Deep Space 1 fue una prueba exitosa de un motor iónico . ^[15] Estas tecnologías mejoradas generalmente se centran en uno o más de los siguientes aspectos:

• Sistemas de propulsión espacial con un consumo de combustible mucho mejor. Estos sistemas permitirían viajar mucho más rápido manteniendo el coste del combustible dentro de límites aceptables.
• Utilizar la energía solar y la utilización de recursos in situ para evitar o minimizar la costosa tarea de enviar componentes y combustible desde la superficie de la Tierra, contra la gravedad de la misma (véase "Utilización de recursos no terrestres", más abajo).
• Nuevas metodologías de uso de energía en diferentes lugares o de diferentes maneras que pueden acortar el tiempo de transporte o reducir el costo por unidad de masa del transporte espacial

Además de hacer que los viajes sean más rápidos o más baratos, estas mejoras también podrían permitir mayores "márgenes de seguridad" en el diseño al reducir la necesidad de fabricar naves espaciales más livianas.

Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación de cohetes de Tsiolkovsky , que establece la velocidad característica disponible como una función de la velocidad de escape y la relación de masas, de la masa inicial ( M ₀ , incluido el combustible) a la final ( M ₁ , sin combustible). La principal consecuencia es que las velocidades de misión de más de unas pocas veces la velocidad del escape del motor del cohete (con respecto al vehículo) se vuelven rápidamente imprácticas, ya que la masa seca (masa de la carga útil y el cohete sin combustible) cae por debajo del 10% de la masa húmeda total del cohete (masa del cohete con combustible).

En un cohete nuclear térmico o un cohete solar térmico , un fluido de trabajo, normalmente hidrógeno , se calienta a una temperatura alta y luego se expande a través de una tobera de cohete para crear empuje . La energía reemplaza la energía química de los reactivos químicos en un motor de cohete tradicional . Debido a la baja masa molecular y, por lo tanto, a la alta velocidad térmica del hidrógeno, estos motores son al menos dos veces más eficientes en términos de consumo de combustible que los motores químicos, incluso después de incluir el peso del reactor. ^{[ cita requerida ]}

La Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos y la NASA probaron algunos diseños entre 1959 y 1968. Los diseños de la NASA fueron concebidos como reemplazos de las etapas superiores del vehículo de lanzamiento Saturno V , pero las pruebas revelaron problemas de confiabilidad, principalmente causados ​​por la vibración y el calentamiento involucrados en el funcionamiento de los motores a niveles de empuje tan altos. Consideraciones políticas y ambientales hacen improbable que un motor de este tipo se use en el futuro previsible, ya que los cohetes térmicos nucleares serían más útiles en la superficie de la Tierra o cerca de ella y las consecuencias de un mal funcionamiento podrían ser desastrosas. Los conceptos de cohetes térmicos basados ​​en fisión producen velocidades de escape más bajas que los conceptos eléctricos y de plasma descritos a continuación, y por lo tanto son soluciones menos atractivas. Para aplicaciones que requieren una alta relación empuje-peso, como el escape planetario, el térmico nuclear es potencialmente más atractivo. ^[16]

Los sistemas de propulsión eléctrica utilizan una fuente externa, como un reactor nuclear o células solares , para generar electricidad , que luego se utiliza para acelerar un propulsor químicamente inerte a velocidades mucho mayores que las alcanzadas en un cohete químico. Estos propulsores producen un empuje débil y, por lo tanto, no son adecuados para maniobras rápidas o para el lanzamiento desde la superficie de un planeta. Pero son tan económicos en el uso de la masa de reacción que pueden seguir disparando continuamente durante días o semanas, mientras que los cohetes químicos consumen masa de reacción tan rápidamente que solo pueden disparar durante segundos o minutos. Incluso un viaje a la Luna es lo suficientemente largo para que un sistema de propulsión eléctrica supere a un cohete químico: las misiones Apolo tardaron tres días en cada dirección.

La sonda Deep Space One de la NASA fue una prueba muy exitosa de un prototipo de propulsión iónica , que funcionó durante un total de 678 días y le permitió a la sonda alcanzar el cometa Borrelly, una hazaña que habría sido imposible para un cohete químico. Dawn , la primera misión operativa (es decir, de demostración no tecnológica) de la NASA que utilizó una propulsión iónica como propulsión principal, orbitó con éxito los grandes asteroides del cinturón principal 1 Ceres y 4 Vesta . Se pretendía una versión más ambiciosa, de propulsión nuclear, para una misión a Júpiter sin tripulación humana, el Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originalmente planeado para su lanzamiento en algún momento de la próxima década. Debido a un cambio de prioridades en la NASA que favoreció las misiones espaciales tripuladas por humanos, el proyecto perdió la financiación en 2005. Actualmente se está discutiendo una misión similar como componente estadounidense de un programa conjunto NASA/ESA para la exploración de Europa y Ganímedes .

Un equipo de evaluación de aplicaciones tecnológicas multicéntrico de la NASA dirigido desde el Centro de vuelos espaciales Johnson describió en enero de 2011 "Nautilus-X", un estudio conceptual para un vehículo de exploración espacial multimisión útil para misiones más allá de la órbita baja terrestre (LEO), de hasta 24 meses de duración para una tripulación de hasta seis personas. ^{[17] [18]} Aunque Nautilus-X es adaptable a una variedad de unidades de propulsión específicas de la misión de varios diseños de bajo empuje y alto impulso específico (I _sp ), se muestra un accionamiento eléctrico de iones nucleares con fines ilustrativos. Está destinado a la integración y verificación en la Estación Espacial Internacional (ISS), y sería adecuado para misiones de espacio profundo desde la ISS hasta la Luna y más allá, incluidos destinos orbitales Tierra/Luna L1 , Sol/Tierra L2 , asteroides cercanos a la Tierra y Marte. Incorpora una centrífuga de gravedad reducida que proporciona gravedad artificial para la salud de la tripulación con el fin de mejorar los efectos de la exposición prolongada a 0 g y la capacidad de mitigar el entorno de radiación espacial. ^[19]

Las misiones de propulsión eléctrica que ya se han realizado o que están programadas actualmente han utilizado energía solar , lo que limita su capacidad para operar lejos del Sol y también su aceleración máxima debido a la masa de la fuente de energía eléctrica. Los motores nucleares-eléctricos o de plasma, que funcionan durante largos períodos con un empuje bajo y están alimentados por reactores de fisión, pueden alcanzar velocidades mucho mayores que los vehículos propulsados ​​por sustancias químicas.

Los cohetes de fusión , impulsados ​​por reacciones de fusión nuclear , "quemarían" combustibles de elementos ligeros como el deuterio, el tritio o ^{el 3He} . Como la fusión libera aproximadamente el 1% de la masa del combustible nuclear como energía, es energéticamente más favorable que la fisión, que libera solo alrededor del 0,1% de la masa-energía del combustible. Sin embargo, tanto la tecnología de fisión como la de fusión pueden, en principio, alcanzar velocidades mucho mayores que las necesarias para la exploración del Sistema Solar, y la energía de fusión aún espera una demostración práctica en la Tierra.

Una propuesta que utiliza un cohete de fusión fue el Proyecto Daedalus . Otro sistema de vehículo bastante detallado, diseñado y optimizado para la exploración tripulada del Sistema Solar, "Discovery II", ^[20] basado en la reacción D ³ He pero utilizando hidrógeno como masa de reacción, ha sido descrito por un equipo del Centro de Investigación Glenn de la NASA . Alcanza velocidades características de >300 km/s con una aceleración de ~1,7•10 ⁻³ g , con una masa inicial de la nave de ~1700 toneladas métricas y una fracción de carga útil superior al 10%.

Se considera que los cohetes de fusión son una fuente probable de transporte interplanetario para una civilización planetaria . ^[21]

En el artículo sobre propulsión de naves espaciales se analizan otras tecnologías que podrían, a mediano y largo plazo, ser la base de las misiones interplanetarias. A diferencia de lo que ocurre con los viajes interestelares , las barreras para los viajes interplanetarios rápidos tienen que ver con la ingeniería y la economía, más que con la física básica.

Las velas solares se basan en el hecho de que la luz reflejada desde una superficie ejerce presión sobre ella. La presión de radiación es pequeña y disminuye en función del cuadrado de la distancia al Sol, pero a diferencia de los cohetes, las velas solares no requieren combustible. Aunque el empuje es pequeño, continúa mientras brille el Sol y la vela esté desplegada. ^[22]

El concepto original se basaba únicamente en la radiación del Sol (por ejemplo, en el relato de Arthur C. Clarke de 1965 " Sunjammer "). Los diseños de velas ligeras más recientes proponen aumentar el empuje apuntando láseres o máseres terrestres a la vela. Los láseres o máseres terrestres también pueden ayudar a una nave espacial con velas ligeras a desacelerar : la vela se divide en una sección exterior e interior, la sección exterior se empuja hacia adelante y su forma se modifica mecánicamente para concentrar la radiación reflejada en la parte interior, y la radiación enfocada en la sección interior actúa como freno.

Aunque la mayoría de los artículos sobre velas de luz se centran en los viajes interestelares , ha habido varias propuestas para su uso dentro del Sistema Solar.

Actualmente, la única nave espacial que utiliza una vela solar como método principal de propulsión es IKAROS , lanzada por la JAXA el 21 de mayo de 2010. Desde entonces se ha desplegado con éxito y ha demostrado que produce la aceleración esperada. Muchas naves espaciales y satélites comunes también utilizan colectores solares, paneles de control de temperatura y parasoles como velas ligeras, para realizar pequeñas correcciones en su actitud y órbita sin utilizar combustible. Algunas incluso han tenido pequeñas velas solares construidas específicamente para este uso (por ejemplo, los satélites de comunicaciones geoestacionarios Eurostar E3000 construidos por EADS Astrium ).

Es posible poner estaciones o naves espaciales en órbitas que se muevan entre diferentes planetas; por ejemplo, un ciclador marciano circularía sincronizadamente entre Marte y la Tierra, con muy poco uso de combustible para mantener la trayectoria. Los cicladores son conceptualmente una buena idea, porque los escudos de radiación masivos, el soporte vital y otros equipos solo necesitan colocarse en la trayectoria del ciclador una vez. Un ciclador podría combinar varias funciones: hábitat (por ejemplo, podría girar para producir un efecto de "gravedad artificial") o nave nodriza (que proporcionaría soporte vital para las tripulaciones de naves espaciales más pequeñas que viajaran en él). ^[23] Los cicladores también podrían ser excelentes naves de carga para el reabastecimiento de una colonia.

Un ascensor espacial es una estructura teórica que transportaría material desde la superficie de un planeta hasta su órbita. ^[24] La idea es que, una vez que se complete el costoso trabajo de construir el ascensor, se pueda transportar una cantidad indefinida de cargas a la órbita con un costo mínimo. Incluso los diseños más simples evitan el círculo vicioso de los lanzamientos de cohetes desde la superficie, en los que el combustible necesario para recorrer el último 10% de la distancia hasta la órbita debe ser levantado desde la superficie, lo que requiere aún más combustible, y así sucesivamente. Los diseños de ascensores espaciales más sofisticados reducen el costo de energía por viaje mediante el uso de contrapesos , y los esquemas más ambiciosos apuntan a equilibrar las cargas que suben y bajan y, por lo tanto, hacer que el costo de energía sea cercano a cero. Los ascensores espaciales también se han denominado a veces " tallos de frijoles ", "puentes espaciales", "ascensores espaciales", "escaleras espaciales" y "torres orbitales". ^[25]

Un ascensor espacial terrestre está más allá de nuestra tecnología actual, aunque teóricamente se podría construir un ascensor espacial lunar utilizando materiales existentes.

Un gancho celestial es una clase teórica de propulsión con correas en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. ^{[26] [27] [28] [29] [30]} Las propuestas de ganchos celestiales incluyen diseños que emplean correas que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y colocarlas en órbita. ^[31] Además, se ha sugerido que el gancho celestial giratorio "no es factible desde el punto de vista de la ingeniería utilizando los materiales disponibles actualmente". ^{[32] [33] [34] [35] [36]}

La nave espacial SpaceX Starship está diseñada para ser completamente y rápidamente reutilizable, haciendo uso de la tecnología reutilizable de SpaceX que se desarrolló entre 2011 y 2018 para los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy . ^{[37] [38]}

Elon Musk , director ejecutivo de SpaceX, estima que la capacidad de reutilización por sí sola, tanto en el vehículo de lanzamiento como en la nave espacial asociada con Starship, reducirá los costos generales del sistema por tonelada entregada a Marte en al menos dos órdenes de magnitud con respecto a lo que la NASA había logrado anteriormente. ^{[39] [40]}

Al lanzar sondas interplanetarias desde la superficie de la Tierra, que transportan toda la energía necesaria para la misión de larga duración, las cantidades de carga útil son necesariamente extremadamente limitadas, debido a las limitaciones de masa base descritas teóricamente por la ecuación del cohete . Una alternativa para transportar más masa en trayectorias interplanetarias es utilizar casi todo el propulsor de la etapa superior en el lanzamiento y luego rellenar los propulsores en la órbita terrestre antes de disparar el cohete a la velocidad de escape para una trayectoria heliocéntrica . Estos propulsores podrían almacenarse en órbita en un depósito de propulsores o llevarse a la órbita en un tanque de propulsores para transferirlos directamente a la nave espacial interplanetaria. Para devolver masa a la Tierra, una opción relacionada es extraer materias primas de un objeto celeste del sistema solar, refinar, procesar y almacenar los productos de reacción (propulsor) en el cuerpo del sistema solar hasta el momento en que sea necesario cargar un vehículo para el lanzamiento.

En 2019, SpaceX está desarrollando un sistema en el que un vehículo de primera etapa reutilizable transportaría una nave espacial interplanetaria tripulada a la órbita terrestre, se desprendería, regresaría a su plataforma de lanzamiento donde se montaría una nave espacial cisterna encima, luego se cargaría de combustible y luego se lanzaría nuevamente para encontrarse con la nave espacial tripulada que esperaba. El cisterna luego transferiría su combustible a la nave espacial tripulada humana para su uso en su viaje interplanetario. La SpaceX Starship es una nave espacial con estructura de acero inoxidable propulsada por seis motores Raptor que funcionan con propulsores de metano/oxígeno densificados . Tiene 55 m (180 pies) de largo, 9 m (30 pies) de diámetro en su punto más ancho y es capaz de transportar hasta 100 toneladas (220.000 libras) de carga y pasajeros por viaje a Marte, con recarga de propulsor en órbita antes de la parte interplanetaria del viaje. ^{[40] [37] [41]}

Como ejemplo de un proyecto financiado actualmente ^{[ ¿cuándo? ]} en desarrollo, una parte clave del sistema que SpaceX ha diseñado para Marte con el fin de reducir radicalmente el costo de los vuelos espaciales a destinos interplanetarios es la ubicación y operación de una planta física en Marte para manejar la producción y el almacenamiento de los componentes propulsores necesarios para lanzar y volar las naves espaciales de regreso a la Tierra, o tal vez para aumentar la masa que se puede transportar a destinos en el Sistema Solar exterior . ^[40]

La primera nave espacial que se dirija a Marte llevará una pequeña planta de combustible como parte de su carga. La planta se ampliará a lo largo de varios sínodos a medida que llegue más equipo, se instale y se ponga en producción prácticamente de forma autónoma . ^[40]

La planta de combustible de SpaceX aprovechará las grandes reservas de dióxido de carbono y recursos hídricos de Marte, extrayendo el agua (H ₂ O) del hielo subterráneo y recogiendo CO ₂ de la atmósfera . Una planta química procesará las materias primas mediante electrólisis y el proceso Sabatier para producir oxígeno (O ₂ ) y metano (CH ₄ ), y luego lo licuará para facilitar el almacenamiento a largo plazo y su uso final. ^[40]

Los vehículos espaciales actuales intentan despegar con todo el combustible (propulsores y suministros de energía) que necesitarán para todo su viaje, y las estructuras espaciales actuales se elevan desde la superficie de la Tierra. Las fuentes de energía y materiales no terrestres se encuentran en su mayoría mucho más lejos, pero la mayoría no necesitarían elevarse fuera de un campo gravitatorio fuerte y, por lo tanto, deberían ser mucho más baratas de usar en el espacio a largo plazo.

El recurso no terrestre más importante es la energía, porque puede utilizarse para transformar materiales no terrestres en formas útiles (algunas de las cuales también pueden producir energía). Se han propuesto al menos dos fuentes de energía no terrestres fundamentales: la generación de energía a partir de energía solar (sin la interferencia de las nubes), ya sea directamente mediante células solares o indirectamente, concentrando la radiación solar en calderas que producen vapor para accionar generadores; y las ataduras electrodinámicas que generan electricidad a partir de los potentes campos magnéticos de algunos planetas (Júpiter tiene un campo magnético muy potente).

El hielo de agua sería muy útil y está muy extendido en las lunas de Júpiter y Saturno:

• La baja gravedad de estas lunas las convertiría en una fuente de agua más barata para estaciones espaciales y bases planetarias que extraerla de la superficie de la Tierra.
• Se podrían utilizar fuentes de energía no terrestres para electrolizar el hielo de agua en oxígeno e hidrógeno para su uso en motores de cohetes bipropulsores .
• Los cohetes térmicos nucleares o los cohetes térmicos solares podrían utilizarlo como masa de reacción . También se ha propuesto el uso de hidrógeno en estos motores y proporcionaría un impulso específico mucho mayor (empuje por kilogramo de masa de reacción), pero se ha afirmado que el agua superará al hidrógeno en términos de costo/rendimiento a pesar de su impulso específico mucho menor por órdenes de magnitud. ^{[42] [43]}
• Una nave espacial con un suministro de agua adecuado podría llevar el agua debajo del casco, lo que podría proporcionar un margen de seguridad adicional considerable para la nave y sus ocupantes:
  • El agua absorbería y conduciría la energía solar, actuando así como un escudo térmico . Una nave que viajara por el Sistema Solar interior podría mantener un rumbo constante en relación con el Sol sin sobrecalentar el lado de la nave espacial que mira hacia el Sol, siempre que el agua debajo del casco circulara constantemente para distribuir uniformemente el calor solar por todo el casco;
  • El agua proporcionaría cierta protección adicional contra la radiación ionizante;
  • El agua actuaría como aislante contra el frío extremo suponiendo que se mantuviera calentada, ya sea por el Sol cuando viajaba en el Sistema Solar interior o por una fuente de energía a bordo cuando viajaba más lejos del Sol;
  • El agua proporcionaría cierta protección adicional contra impactos de micrometeoroides, siempre que el casco estuviera compartimentado para garantizar que cualquier fuga pudiera aislarse en una pequeña sección del casco.

El oxígeno es un componente común de la corteza lunar y probablemente abunda en la mayoría de los demás cuerpos del Sistema Solar. El oxígeno no terrestre sería valioso como fuente de hielo de agua solo si se pudiera encontrar una fuente adecuada de hidrógeno . ^{[ Aclaración necesaria ]} Los posibles usos incluyen:

• En los sistemas de soporte vital de naves espaciales, estaciones espaciales y bases planetarias.
• En los motores de cohetes. Incluso si el otro combustible tiene que ser extraído de la Tierra, el uso de oxígeno no terrestre podría reducir los costos de lanzamiento del combustible hasta en 2/3 para el combustible de hidrocarburos, o en un 85% para el hidrógeno. Los ahorros son tan altos porque el oxígeno representa la mayor parte de la masa en la mayoría de las combinaciones de combustibles para cohetes .

Desafortunadamente, el hidrógeno, junto con otros compuestos volátiles como el carbono y el nitrógeno, son mucho menos abundantes que el oxígeno en el Sistema Solar interior.

Los científicos esperan encontrar una amplia gama de compuestos orgánicos en algunos de los planetas, lunas y cometas del Sistema Solar exterior , y el abanico de posibles usos es aún más amplio. Por ejemplo, el metano puede utilizarse como combustible (quemado con oxígeno no terrestre) o como materia prima para procesos petroquímicos como la fabricación de plásticos . Y el amoníaco podría ser una materia prima valiosa para producir fertilizantes que se utilizarían en los huertos de las bases orbitales y planetarias, reduciendo la necesidad de transportar alimentos hasta ellas desde la Tierra.

Incluso la roca sin procesar puede ser útil como propulsor de cohetes si se emplean impulsores de masa .

Los sistemas de soporte vital deben ser capaces de sustentar la vida humana durante semanas, meses o incluso años. Se debe mantener una atmósfera respirable de al menos 35 kPa (5,1 psi), con cantidades adecuadas de oxígeno, nitrógeno y niveles controlados de dióxido de carbono, gases traza y vapor de agua.

En octubre de 2015, la Oficina del Inspector General de la NASA emitió un informe sobre riesgos para la salud relacionados con los vuelos espaciales humanos , incluida una misión humana a Marte . ^{[44] [45]}

Una vez que un vehículo abandona la órbita baja terrestre y la protección de la magnetosfera terrestre, ingresa al cinturón de radiación de Van Allen , una región de alta radiación . Más allá de los cinturones de Van Allen, los niveles de radiación generalmente disminuyen, pero pueden fluctuar con el tiempo. ^{[46] Estos} rayos cósmicos de alta energía representan una amenaza para la salud . Incluso los niveles mínimos de radiación durante estas fluctuaciones son comparables al límite anual actual para los astronautas en la órbita baja terrestre. ^[47]

Los científicos de la Academia Rusa de Ciencias están buscando métodos para reducir el riesgo de cáncer inducido por la radiación en preparación para la misión a Marte. Consideran como una de las opciones un sistema de soporte vital que genere agua potable con bajo contenido de deuterio (un isótopo estable del hidrógeno ) para ser consumida por los miembros de la tripulación. Las investigaciones preliminares han demostrado que el agua pobre en deuterio presenta ciertos efectos anticancerígenos. Por lo tanto, se considera que el agua potable sin deuterio tiene el potencial de reducir el riesgo de cáncer causado por la exposición extrema a la radiación de la tripulación marciana. ^{[48] [49]}

Además, las eyecciones de masa coronal del Sol son muy peligrosas y pueden ser fatales en un plazo muy breve para los humanos, a menos que estén protegidos por un blindaje masivo. ^{[50] [51] [52] [53] [54] [55] [56]}

Cualquier falla importante de una nave espacial en ruta puede ser fatal, e incluso una falla menor podría tener resultados peligrosos si no se repara rápidamente, algo difícil de lograr en el espacio abierto. La tripulación de la misión Apolo 13 sobrevivió a pesar de una explosión causada por un tanque de oxígeno defectuoso (1970). ^{[ cita requerida ]}

Por razones astrodinámicas , los viajes espaciales económicos a otros planetas sólo son factibles dentro de ciertas ventanas de tiempo . Fuera de estas ventanas, los planetas son esencialmente inaccesibles desde la Tierra con la tecnología actual. Esto restringe los vuelos y limita las opciones de rescate en caso de emergencia. ^[57]

• Seedhouse, Erik (2012). Puesto avanzado interplanetario: los desafíos humanos y tecnológicos de explorar los planetas exteriores . Nueva York: Springer. pág. 288. ISBN 978-1441997470.