Tractor de gravedad

Un tractor gravitacional es una nave espacial teórica que desviaría otro objeto en el espacio, típicamente un asteroide potencialmente peligroso que podría impactar la Tierra, sin entrar en contacto físico con él, utilizando únicamente su campo gravitacional para transmitir el impulso requerido . ^{[1] [2]} La fuerza gravitacional de un vehículo espacial cercano, aunque pequeña, es capaz de alterar la trayectoria de un asteroide mucho más grande si el vehículo pasa suficiente tiempo cerca de él; todo lo que se requiere es que el vehículo empuje en una dirección constante en relación con la trayectoria del asteroide, y que ni el vehículo ni su masa de reacción expulsada entren en contacto directo con el asteroide. La nave espacial tractora podría flotar cerca del objeto que se está desviando, o orbitarlo, dirigiendo su escape perpendicular al plano de la órbita.

El concepto tiene dos ventajas clave: a saber, que esencialmente no es necesario saber nada sobre la composición mecánica y la estructura del asteroide de antemano; y que las cantidades relativamente pequeñas de fuerza utilizadas permiten una manipulación y determinación extremadamente precisas de la órbita del asteroide alrededor del Sol . Mientras que otros métodos de desviación requerirían la determinación del centro de masa exacto del asteroide y podría ser necesario un esfuerzo considerable para detener su giro o rotación, al utilizar el método del tractor estas consideraciones son irrelevantes.

Surgen varias consideraciones en relación con los medios para evitar una colisión devastadora con un objeto asteroidal, en caso de que se descubra uno en una trayectoria que se determine que conducirá al impacto con la Tierra en alguna fecha futura. Uno de los principales desafíos es cómo transmitir el impulso requerido (posiblemente bastante grande), a un asteroide de masa, composición y resistencia mecánica desconocidas, sin romperlo en fragmentos, algunos de los cuales podrían ser peligrosos para la Tierra si se los deja en una órbita de colisión. El tractor de gravedad resuelve este problema acelerando suavemente el objeto en su conjunto durante un período prolongado de tiempo, utilizando la propia masa de la nave espacial y el campo gravitatorio asociado para efectuar la fuerza de desviación necesaria. Debido a la universalidad de la gravitación , que afecta a todas las masas por igual, el asteroide se aceleraría casi uniformemente en su conjunto, y solo las fuerzas de marea (que deberían ser extremadamente pequeñas) causarían tensiones en su estructura interna.

Una ventaja adicional es que un transpondedor en la nave espacial, al monitorear continuamente la posición y la velocidad del sistema tractor/asteroide, podría permitir conocer con precisión la trayectoria posterior a la deflexión del asteroide, asegurando su colocación final en una órbita segura. ^[3]

Las limitaciones del concepto de tractor incluyen la configuración del escape. Con el diseño de vuelo estacionario más eficiente (es decir, apuntando el escape directamente al objeto objetivo para obtener la máxima fuerza por unidad de combustible), la masa de reacción expulsada golpea al objetivo de frente, impartiendo una fuerza en exactamente la dirección opuesta a la atracción gravitatoria del tractor. ^[4] Por lo tanto, sería necesario utilizar el esquema de tractor en órbita descrito a continuación, o bien diseñar el tractor en vuelo estacionario de modo que su escape se dirija en un ligero ángulo en dirección opuesta al objeto, mientras sigue apuntando "hacia abajo" lo suficiente para mantener un vuelo estacionario constante. ^[5] Esto requiere un mayor empuje y, en consecuencia, un mayor consumo de combustible por cada cambio de metro por segundo en la velocidad del objetivo.

Se han planteado cuestiones relacionadas con el efecto del empuje de propulsión iónica sobre el polvo de asteroides, lo que sugiere que tal vez sea necesario considerar medios alternativos para controlar la posición de mantenimiento de la posición del tractor de gravedad. A este respecto, se han sugerido velas solares . ^[6]

Según Rusty Schweickart , el método del tractor gravitacional también es controvertido porque, durante el proceso de cambio de trayectoria de un asteroide, el punto de la Tierra en el que podría impactar con mayor probabilidad se desplazaría lentamente a través de diferentes países. Esto significa que la amenaza para todo el planeta se reduciría al mínimo a costa de la seguridad de algunos estados específicos. En opinión de Schweickart, elegir la forma en que se debe "arrastrar" el asteroide sería una decisión diplomática difícil. ^[7]

Si un NEO de un tamaño de alrededor de 100 m y una masa de un millón de toneladas métricas amenazaba con impactar la Tierra, y una corrección de velocidad de 1 centímetro por segundo fuera suficiente para colocarlo en una órbita segura y estable, evitando la Tierra, entonces la corrección debía aplicarse dentro de un período de 10 años.

Con estos parámetros, el impulso requerido sería: V  × M   = 0,01 m/s × 10 ⁹ kg = 10 ⁷  Ns, de modo que la fuerza tractora media sobre el asteroide durante 10 años (que es 3,156 × 10 ⁸ segundos), tendría que ser de unos 0,032 newtons . Una nave espacial iónica-eléctrica con un impulso específico de 10.000 Ns por kg, correspondiente a una velocidad del haz de iones de 10 kilómetros por segundo (unas 20 veces la obtenida con los mejores cohetes químicos), requeriría 1.000 kg de masa de reacción ( actualmente se prefiere el xenón ) para proporcionar el impulso. La potencia cinética del haz de iones sería entonces de aproximadamente 158 vatios; la potencia eléctrica de entrada al convertidor de potencia y al motor iónico sería, por supuesto, sustancialmente mayor. La nave espacial tendría que tener suficiente masa y permanecer lo suficientemente cerca del asteroide para que el componente de la fuerza gravitatoria promedio sobre el asteroide en la dirección deseada fuera igual o superior a los 0,032 newtons requeridos. Suponiendo que la nave espacial se cierne sobre el asteroide a una distancia de 200 m de su centro de masas, eso requeriría que tuviera una masa de aproximadamente 20 toneladas métricas, porque debido a la fuerza gravitatoria tenemos

${\displaystyle m_{2}={\frac {Fr^{2}}{Gm_{1}}}={\frac {0,032\ N\times (200\ m)^{2}}{6,674\times 10^{-11}\ N\!\cdot \!m^{2}\!\cdot \!kg^{-2}\times 10^{9}\ kg}}\aproximadamente 19200\ kg}$

Teniendo en cuenta las posibles posiciones de vuelo estacionario u órbitas del tractor alrededor del asteroide, cabe señalar que si dos objetos están unidos gravitacionalmente en una órbita mutua, entonces, si uno recibe un impulso arbitrario que es menor que el necesario para liberarlo de la órbita alrededor del otro, debido a las fuerzas gravitacionales entre ellos, el impulso alterará el momento de ambos, considerados juntos como un sistema compuesto. Es decir, mientras el tractor permanezca en una órbita limitada, cualquier fuerza propulsora que se le aplique se transferirá efectivamente al asteroide que orbita. Esto permite una amplia variedad de órbitas o estrategias de vuelo estacionario para el tractor. Una posibilidad obvia es que la nave espacial orbite el NEO con la normal a la órbita en la dirección de la fuerza deseada. El haz de iones se dirigiría entonces en la dirección opuesta, también perpendicular al plano de la órbita. Esto daría como resultado que el plano de la órbita se desplazara un poco lejos del centro del asteroide, "remolcándolo", mientras que la velocidad orbital, normal al empuje, permanece constante. El período orbital sería de unas pocas horas, esencialmente independiente del tamaño, pero débilmente dependiente de la densidad del cuerpo objetivo.

La misión de redireccionamiento de asteroides podría probar la técnica de defensa planetaria del tractor gravitacional en un asteroide de tamaño peligroso. El método del tractor gravitacional aprovecha la masa de la nave espacial para impartir una fuerza gravitacional sobre el asteroide, alterando lentamente su trayectoria.

• National Geographic, 17 de febrero de 2007
• New Scientist, 9 de noviembre de 2005
• Fundación B612