Diez avances tecnológicos que podrían revolucionar la conquista del espacio
Habitualmente se suele decir que en temas espaciales ya está todo inventado. Y visto el estado actual de la exploración espacial resulta difícil no estar de acuerdo con esta afirmación. Por suerte, siempre queda lugar para la innovación y la imaginación. El grupo de Conceptos Avanzados e Innovadores (NIAC) de la NASA lleva años intentando hacer realidad lo imposible, imaginando cómo las nuevas tecnologías podrían cambiar la conquista del espacio. Veamos unas cuantas:Sistemas de propulsión mediante fragmentos de fisión
Las reacciones de fisión nuclear generan normalmente partículas con carga eléctrica que pueden alcanzar el 4% de la velocidad de la luz. Normalmente estos fragmentos chocan con otros átomos en el núcleo del reactor y fin de la historia. Pero si creamos un reactor a base de polvo de uranio suspendido en un campo eléctrico podríamos dirigir estos fragmentos y expulsarlos para crear empuje. Claro que esto es más fácil decirlo que hacerlo. Para construir un motor de este tipo deberíamos crear antes un sistema de contención electromagnético mediante imanes superconductores con una masa de varias decenas de toneladas. Además habría que tener mucho cuidado en dirigir el haz de fragmentos radiactivos, ya que cualquier parte de la nave que entrase en contacto con el mismo sufriría daños irreparables en poco tiempo. El empuje sería muy bajo, comparable a los motores eléctricos (iónicos), pero la eficiencia podría llegar a ser bestial, del orden de los 530000 segundos de impulso específico. Un sistema así sería capaz de propulsar una nave tripulada por todo el Sistema Solar. Si empleamos un propelente extra como puede ser hidrógeno calentado por el reactor para aumentar el empuje, entonces este sistema sería aún más espectacular. La pega es que primero debemos demostrar que se puede construir un motor de fragmentos de fisión a un costo razonable.
Concepto de nave tripulada interplanetaria dotada de un motor mediante fragmentos de fusión (NASA/NIAC).
Esquema de un motor a base de fragmentos de fisión nuclear (NASA/NIAC).
Generación de electricidad mediante sistemas que no usen radioisótopos
Si quieres viajar más allá de Júpiter, no te queda más remedio que prescindir de los paneles solares y usar generadores de radioisótopos (RTGs) -o reactores nucleares- para producir electricidad. Pero hay un problema, y es que los RTG emplean plutonio-238 para generar calor a través de la desintegración radiactiva de este isótopo. Y, como diría Doc Brown, no es que el plutonio se pueda comprar en la farmacia de la esquina. De hecho, la escasez de esta sustancia es tal que se ha convertido en un verdadero quebradero de cabeza para la NASA, que se ha visto forzada a adquirir plutonio de origen ruso para sus misiones espaciales. ¿Existen alternativas a los RTGs? Por ahora no, pero se podrían usar sistemas a base de reacciones químicas con metales que generarían electricidad mediante turbinas y motores Sterling. Entre las reacciones propuestas se encuentran combinaciones de litio y hexafluoruro de azufre, aluminio y agua, magnesio y dióxido de carbono o litio y dióxido de carbono. Estas baterías de metales tendrían una vida superior a las baterías convencionales, pero inferior a los RTGs de toda la vida. A cambio serían mucho más baratas y no sólo servirían para explorar el Sistema Solar exterior, sino que se podrían emplear en misiones a los polos lunares o a Venus.
Cohetes de hidrógeno metálico sólido
Se trata de un concepto tan simple como exótico. El hidrógeno atómico -no molecular- en estado metálico y sólido podría ser el combustible para cohetes más eficiente jamás imaginado. ¿Cómo? Pues muy sencillo: el hidrógeno metálico sólido estaría almacenado a una presión enorme y al ser 'liberado' formaría hidrógeno molecular (H2) de forma espontánea, liberando energía en el proceso. Mucha. Un sistema de propulsión de este tipo sería tan eficiente que tendría un impulso específico de 1000 a 1700 segundos, una barbaridad si lo comparamos con los 460 segundos de un motor criogénico convencional. Este motor permitiría hacer realidad el viejo sueño de crear sistemas de lanzamiento de una sola etapa (SSTO) o enviar seres humanos a Marte. ¿El inconveniente? Que nadie ha logrado transformar hidrógeno sólido molecular en un sólido metálico por culpa de las enormes presiones requeridas, nada menos que del orden de 4 a 5 millones de megabares. No obstante, quizás sea posible rebajar este límite inyectando electrones en el hidrógeno molecular sólido. Nadie sabe si esto será factible, y menos aún rentable, pero las ventajas de un sistema de propulsión que haga uso de este propelente son tan grandes que merece la pena intentarlo.
Propulsión mediante fusión nuclear
La fusión nuclear como método de propulsión avanzado para misiones interplanetarias e incluso interestelares es un concepto muy habitual en la ciencia ficción. En la realidad sin embargo se trata de una idea mucho menos prometedora de lo que pueda parecer en un principio, y eso dejando a un lado que a fecha de hoy carecemos de reactores de fusión comerciales. La mayor parte de proyectos de reactores de fusión emplean deuterio y tritio para generar helio, un combustible que produce una enorme cantidad de neutrones. Al carecer de carga eléctrica los neutrones no pueden ser dirigidos hacia el escape de un hipotético motor, por lo que esta energía se pierde en el proceso (generando de paso grandes cantidades de radiación inducida sobre la nave). Si usamos helio-3 la cosa cambia, pero este isótopo es tan escaso que no vale la pena ni planteárselo. Una alternativa barata y realista a un sistema de propulsión mediante fusión puro es emplear la energía de la fusión simplemente para calentar un propelente, que saldría expulsado a gran velocidad por la tobera del motor. Es decir, sería una especie de motor nuclear térmico a lo NERVA, pero con un reactor de fusión en vez de uno de fisión. Eso sí, la tobera sería magnética, lo que permitiría además generar electricidad. Una nave tripulada dotada de este sistema tendría una masa de unas 135 toneladas y sería capaz de viajar a Marte en unos pocos meses. Otra solución consiste obviamente en investigar la creación de motores a base de reacciones de fusión que no generen neutrones y que no empleen helio-3. Una posibilidad son las reacciones de protones con boro-11, pero aún es pronto para saber si este tipo de reactores pueden ser viables.
La impresión en tres dimensiones está de moda. Sólo el tiempo dirá si se trata de una moda pasajera como en su momento lo fueron los superconductores de alta temperatura o la realidad virtual, ambas tecnologías muy prometedoras que se encontraron con enormes obstáculos a la hora de llevarlas a la práctica. En cualquier caso, podemos imaginar un futuro donde algunos de los componentes de satélites y naves espaciales se fabriquen mediante esta técnica, ahorrando costes de forma significativa. También podemos ir más allá e imaginar misiones en las que la propia nave sea capaz de imprimir sensores electrónicos para estudiar un objetivo determinado a voluntad. Y es que la idea de apretar el botón de 'imprimir' y tener disponible al instante una nave espacial es demasiado atractiva para no explorarla más a fondo. La cuestión es saber dónde está el límite práctico de esta tecnología.
Minisatélites para explorar el Sistema Solar
Enjambres de nanosatélites y minisatélites de todo tipo podrían ser lanzados de forma rápida y barata a los cuerpos menores del Sistema Solar o incluso hacia Marte y Venus. La idea es atractiva, pero garantizar las comunicaciones y la fiabilidad de los sistemas de estos pequeños vehículos no es trivial. No obstante, cabe imaginar una nave nodriza dotada con varios minisatélites especializados preparados para ser desplegados sobre un objetivo. También se podrían lanzar satélites dotados de superficies deformables o con actuadores mecánicos para desplazarse por la superficie de cuerpos de baja gravedad, como los asteroides o Fobos y Deimos.
Escudos térmicos de regolito
La masa es el principal factor a tener en cuenta en una misión espacial, especialmente si es tripulada. Cuanto menos peso lleve una nave, menor cantidad de combustible deberemos gastar para alcanzar nuestro destino. Si queremos poner un pie en Marte necesitamos naves dotadas de escudos térmicos capaces de soportar las temperaturas de la entrada atmosférica y, además, para realizar maniobras de aerocaptura. La malas noticia es que los escudos térmicos son muy pesados. Una opción bastante curiosa pasa por construirlos a partir del regolito -polvo rocoso- de la Luna, los asteroides cercanos o, mejor aún, de las lunas de Marte, Fobos y Deimos. Estos escudos servirían también para proteger a la tripulación de la radiación, así que mataríamos dos pájaros de un tiro.
Naves con paredes de agua
Las estructuras metálicas de las naves espaciales son pesadas y no protegen adecuadamente a la tripulación de la radiación espacial. Módulos dotados de paredes con celdas rellenas de agua servirían para reciclar el agua de la orina de los astronautas, además de crear comida gracias a la acción de algas verdes. Y todo ello mientras se protege a los astronautas de la radiación. Esta tecnología puede usarse conjuntamente con el concepto de hábitats inflables para aumentar sus posibilidades. También podría usarse en bases situadas en la Luna o en Marte.
Propulsión mediante ondas de plasma
El Sol y muchos planetas del Sistema Solar están dotados de campos magnéticos dentro de los cuales podemos encontrar materia en estado de plasma. En estas condiciones es posible imaginar un sistema que genere ondas de plasma capaces de transmitir energía o presión. Estas ondas -con frecuencias que irían desde los kiloherzios hasta los megaherzios- podrían ser creadas por un vehículo dotado de una antena adecuada. La antena emitiría ondas de plasma y la nave se movería en el sentido opuesto, sin gastar ningún propelente en el proceso, aunque consumiría importantes cantidades de energía eléctrica. Este sistema sería ideal para moverse cerca de mundos con campos magnéticos, como los planetas gigantes o la Tierra.
Trajes inteligentes
La ingravidez es después de la radiación el principal problema de los viajes espaciales tripulados de larga duración. Para mitigar sus efectos, los astronautas podrían llevar en el interior de la nave trajes inteligentes dotados de giróscopos y otros sensores que generarían una resistencia a los movimientos. De este modo, los astronautas se adaptarían mejor a los ambientes de microgravedad al poder percibir en todo momento su orientación con respecto al vehículo. En las actividades extravehiculares, estos sistemas servirían también para orientar y estabilizar a los tripulantes.
Por ahora, la mayoría de estas tecnologías son simples conceptos y lo más probable es que sigan siéndolo durante muchas décadas, puede que para siempre. Pero aunque solamente algunas de ellas se hagan realidad estaríamos ante una revolución en la conquista del espacio. ¿Por cuáles vale la pena apostar?
Referencias:
http://www.nasa.gov/pdf/636908main_Paul_Presentation.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/637123main_Silvera_Presentation.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/713722main_2012_NIAC_Fall_Sym_Day1.pdf
http://www.nasa.gov/offices/oct/home/feature_cosmos.html
http://www.nasa.gov/pdf/716077main_Slough_2011_PhI_Fusion_Rocket.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/716081main_Tarditi_2011_PhI_Aneutronic_Fusion.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/718391main_Werka_2011_PhI_FFRE.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/716073main_Pavone_2011_PhI_Microgravity_Rover.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/716074main_Short_2011_PhI_Printable_Spacecraft.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/643071main_NIAC_V2Suit_Phase1_SS_120329_forPub.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/636898main_Hogue_Presentation.pdf
http://www.nasa.gov/offices/oct/stp/niac/2012_phase_I_fellows_flynn.html
http://www.nasa.gov/pdf/605365main_falker_NIAC_Orientation_Mtg_2011-10-16_v7.pdf
Si quieres viajar más allá de Júpiter, no te queda más remedio que prescindir de los paneles solares y usar generadores de radioisótopos (RTGs) -o reactores nucleares- para producir electricidad. Pero hay un problema, y es que los RTG emplean plutonio-238 para generar calor a través de la desintegración radiactiva de este isótopo. Y, como diría Doc Brown, no es que el plutonio se pueda comprar en la farmacia de la esquina. De hecho, la escasez de esta sustancia es tal que se ha convertido en un verdadero quebradero de cabeza para la NASA, que se ha visto forzada a adquirir plutonio de origen ruso para sus misiones espaciales. ¿Existen alternativas a los RTGs? Por ahora no, pero se podrían usar sistemas a base de reacciones químicas con metales que generarían electricidad mediante turbinas y motores Sterling. Entre las reacciones propuestas se encuentran combinaciones de litio y hexafluoruro de azufre, aluminio y agua, magnesio y dióxido de carbono o litio y dióxido de carbono. Estas baterías de metales tendrían una vida superior a las baterías convencionales, pero inferior a los RTGs de toda la vida. A cambio serían mucho más baratas y no sólo servirían para explorar el Sistema Solar exterior, sino que se podrían emplear en misiones a los polos lunares o a Venus.
Los sistemas de generación de electricidad alternativos a los RTGs podrían servir para explorar todos los rincones del Sistema Solar. Arriba vemos una propuesta de sonda a Venus (NASA/NIAC).
Cohetes de hidrógeno metálico sólido
Se trata de un concepto tan simple como exótico. El hidrógeno atómico -no molecular- en estado metálico y sólido podría ser el combustible para cohetes más eficiente jamás imaginado. ¿Cómo? Pues muy sencillo: el hidrógeno metálico sólido estaría almacenado a una presión enorme y al ser 'liberado' formaría hidrógeno molecular (H2) de forma espontánea, liberando energía en el proceso. Mucha. Un sistema de propulsión de este tipo sería tan eficiente que tendría un impulso específico de 1000 a 1700 segundos, una barbaridad si lo comparamos con los 460 segundos de un motor criogénico convencional. Este motor permitiría hacer realidad el viejo sueño de crear sistemas de lanzamiento de una sola etapa (SSTO) o enviar seres humanos a Marte. ¿El inconveniente? Que nadie ha logrado transformar hidrógeno sólido molecular en un sólido metálico por culpa de las enormes presiones requeridas, nada menos que del orden de 4 a 5 millones de megabares. No obstante, quizás sea posible rebajar este límite inyectando electrones en el hidrógeno molecular sólido. Nadie sabe si esto será factible, y menos aún rentable, pero las ventajas de un sistema de propulsión que haga uso de este propelente son tan grandes que merece la pena intentarlo.
Un cohete a base de hidrógeno atómico metálico en estado sólido (NASA/NIAC).
Propulsión mediante fusión nuclear
La fusión nuclear como método de propulsión avanzado para misiones interplanetarias e incluso interestelares es un concepto muy habitual en la ciencia ficción. En la realidad sin embargo se trata de una idea mucho menos prometedora de lo que pueda parecer en un principio, y eso dejando a un lado que a fecha de hoy carecemos de reactores de fusión comerciales. La mayor parte de proyectos de reactores de fusión emplean deuterio y tritio para generar helio, un combustible que produce una enorme cantidad de neutrones. Al carecer de carga eléctrica los neutrones no pueden ser dirigidos hacia el escape de un hipotético motor, por lo que esta energía se pierde en el proceso (generando de paso grandes cantidades de radiación inducida sobre la nave). Si usamos helio-3 la cosa cambia, pero este isótopo es tan escaso que no vale la pena ni planteárselo. Una alternativa barata y realista a un sistema de propulsión mediante fusión puro es emplear la energía de la fusión simplemente para calentar un propelente, que saldría expulsado a gran velocidad por la tobera del motor. Es decir, sería una especie de motor nuclear térmico a lo NERVA, pero con un reactor de fusión en vez de uno de fisión. Eso sí, la tobera sería magnética, lo que permitiría además generar electricidad. Una nave tripulada dotada de este sistema tendría una masa de unas 135 toneladas y sería capaz de viajar a Marte en unos pocos meses. Otra solución consiste obviamente en investigar la creación de motores a base de reacciones de fusión que no generen neutrones y que no empleen helio-3. Una posibilidad son las reacciones de protones con boro-11, pero aún es pronto para saber si este tipo de reactores pueden ser viables.
Propuesta de nave tripulada con un reactor de fusión nuclear usado para calentar un propelente (NASA/NIAC).
Impresión 3D en naves espacialesLa impresión en tres dimensiones está de moda. Sólo el tiempo dirá si se trata de una moda pasajera como en su momento lo fueron los superconductores de alta temperatura o la realidad virtual, ambas tecnologías muy prometedoras que se encontraron con enormes obstáculos a la hora de llevarlas a la práctica. En cualquier caso, podemos imaginar un futuro donde algunos de los componentes de satélites y naves espaciales se fabriquen mediante esta técnica, ahorrando costes de forma significativa. También podemos ir más allá e imaginar misiones en las que la propia nave sea capaz de imprimir sensores electrónicos para estudiar un objetivo determinado a voluntad. Y es que la idea de apretar el botón de 'imprimir' y tener disponible al instante una nave espacial es demasiado atractiva para no explorarla más a fondo. La cuestión es saber dónde está el límite práctico de esta tecnología.
La impresión 3D podría ser revolucionaría (NASA/NIAC).
Minisatélites para explorar el Sistema Solar
Enjambres de nanosatélites y minisatélites de todo tipo podrían ser lanzados de forma rápida y barata a los cuerpos menores del Sistema Solar o incluso hacia Marte y Venus. La idea es atractiva, pero garantizar las comunicaciones y la fiabilidad de los sistemas de estos pequeños vehículos no es trivial. No obstante, cabe imaginar una nave nodriza dotada con varios minisatélites especializados preparados para ser desplegados sobre un objetivo. También se podrían lanzar satélites dotados de superficies deformables o con actuadores mecánicos para desplazarse por la superficie de cuerpos de baja gravedad, como los asteroides o Fobos y Deimos.
Robots móviles para explorar Fobos y Deimos (NASA/NIAC).
Escudos térmicos de regolito
La masa es el principal factor a tener en cuenta en una misión espacial, especialmente si es tripulada. Cuanto menos peso lleve una nave, menor cantidad de combustible deberemos gastar para alcanzar nuestro destino. Si queremos poner un pie en Marte necesitamos naves dotadas de escudos térmicos capaces de soportar las temperaturas de la entrada atmosférica y, además, para realizar maniobras de aerocaptura. La malas noticia es que los escudos térmicos son muy pesados. Una opción bastante curiosa pasa por construirlos a partir del regolito -polvo rocoso- de la Luna, los asteroides cercanos o, mejor aún, de las lunas de Marte, Fobos y Deimos. Estos escudos servirían también para proteger a la tripulación de la radiación, así que mataríamos dos pájaros de un tiro.
Concepto de nave marciana dotada de un escudo térmico de regolito (NASA/NIAC).
Naves con paredes de agua
Las estructuras metálicas de las naves espaciales son pesadas y no protegen adecuadamente a la tripulación de la radiación espacial. Módulos dotados de paredes con celdas rellenas de agua servirían para reciclar el agua de la orina de los astronautas, además de crear comida gracias a la acción de algas verdes. Y todo ello mientras se protege a los astronautas de la radiación. Esta tecnología puede usarse conjuntamente con el concepto de hábitats inflables para aumentar sus posibilidades. También podría usarse en bases situadas en la Luna o en Marte.
Paredes con celdas de agua (NASA/NIAC).
Propulsión mediante ondas de plasma
El Sol y muchos planetas del Sistema Solar están dotados de campos magnéticos dentro de los cuales podemos encontrar materia en estado de plasma. En estas condiciones es posible imaginar un sistema que genere ondas de plasma capaces de transmitir energía o presión. Estas ondas -con frecuencias que irían desde los kiloherzios hasta los megaherzios- podrían ser creadas por un vehículo dotado de una antena adecuada. La antena emitiría ondas de plasma y la nave se movería en el sentido opuesto, sin gastar ningún propelente en el proceso, aunque consumiría importantes cantidades de energía eléctrica. Este sistema sería ideal para moverse cerca de mundos con campos magnéticos, como los planetas gigantes o la Tierra.
Propulsión mediante ondas de plasma (NASA/NIAC).
Trajes inteligentes
La ingravidez es después de la radiación el principal problema de los viajes espaciales tripulados de larga duración. Para mitigar sus efectos, los astronautas podrían llevar en el interior de la nave trajes inteligentes dotados de giróscopos y otros sensores que generarían una resistencia a los movimientos. De este modo, los astronautas se adaptarían mejor a los ambientes de microgravedad al poder percibir en todo momento su orientación con respecto al vehículo. En las actividades extravehiculares, estos sistemas servirían también para orientar y estabilizar a los tripulantes.
Traje inteligente V2Suit (NASA/NIAC).
Por ahora, la mayoría de estas tecnologías son simples conceptos y lo más probable es que sigan siéndolo durante muchas décadas, puede que para siempre. Pero aunque solamente algunas de ellas se hagan realidad estaríamos ante una revolución en la conquista del espacio. ¿Por cuáles vale la pena apostar?
Referencias:
http://www.nasa.gov/pdf/636908main_Paul_Presentation.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/637123main_Silvera_Presentation.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/713722main_2012_NIAC_Fall_Sym_Day1.pdf
http://www.nasa.gov/offices/oct/home/feature_cosmos.html
http://www.nasa.gov/pdf/716077main_Slough_2011_PhI_Fusion_Rocket.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/716081main_Tarditi_2011_PhI_Aneutronic_Fusion.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/718391main_Werka_2011_PhI_FFRE.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/716073main_Pavone_2011_PhI_Microgravity_Rover.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/716074main_Short_2011_PhI_Printable_Spacecraft.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/643071main_NIAC_V2Suit_Phase1_SS_120329_forPub.pdf
http://www.nasa.gov/pdf/636898main_Hogue_Presentation.pdf
http://www.nasa.gov/offices/oct/stp/niac/2012_phase_I_fellows_flynn.html
http://www.nasa.gov/pdf/605365main_falker_NIAC_Orientation_Mtg_2011-10-16_v7.pdf
http://danielmarin.blogspot.com.es/2013/01/diez-avances-tecnologicos-que-podrian.html
