The Universe in the Classroom

Subiendo, Subiendo y Saliendo

Al Planeta Rojo

Con este conocimiento de órbitas, estamos listos para planear un viaje a Marte. Trazar el camino involucra varios hechos:

La órbita de transferencia de Hohmann de la Tierra a Marte es muy curvada (ver Figura 5) porque los 107,000 kilómetros por hora del movimiento orbital de la Tierra alrededor del Sol se combinan con los 41,200 kilómetros por hora impartidos por los motores del cohete. De manera similar, una bomba que se deja caer de un aeroplano traza una trayectoria curvada debido a la velocidad del aeroplano y a la gravedad de la Tierra. El ir en línea recta de la Tierra a Marte requeriría una cantidad enorme de combustible.

Trip around Mars
Figura 5
Ven a viajar alrededor de Marte. Para llegar a Marte, primero lánzate en órbita alrededor de la Tierra. Luego enciende tus cohetes en la misma dirección en que la Tierra se está moviendo alrededor del Sol. Una velocidad de aproximadamente 42,000 kilómetros por hora será suficiente para escapar de la gravedad de la Tierra y, al sumarse a la velocidad orbital de la Tierra alrededor del Sol, para poner a la nave espacial en una órbita de transferencia de Hohmann hacia el Planeta Rojo. Si calculas el tiempo correctamente, llegarás a la órbita de Marte cuando el planeta está allí. En ese momento, enciende los cohetes para igualar tu velocidad a la de Marte. Por cierto, cuando llegues ahí, mándanos una tarjeta postal.

Ocho meses después del lanzamiento, la nave espacial llega a Marte, donde debe disminuir su velocidad lo suficiente para ser capturada por la gravedad marciana. La velocidad de escape de Marte es 18,000 kilómetros por hora (11,000 millas por hora), bastante más lenta que la velocidad de escape de la Tierra porque la gravedad de Marte es más débil (ver Tabla 1). En el pasado, las sondas espaciales con destino a Marte se pusieron en órbita alrededor de éste mediante el encendido de retrocohetes para disminuir su velocidad.

Los ingenieros actualmente están desarrollando una técnica que no requiere retrocohetes. Esta técnica, llamada aerocaptura o aerofrenado, dirige la nave a la atmósfera exterior del planeta para desacelerarlo por resistencia atmosférica. Enseñaron esta técnica en la película 2010 cuando la nave espacial rusa Leonov se puso en órbita alrededor de Júpiter. En el otoño de 1994, los operadores de control de la misión usaron el aerofrenado para convertir de elíptica a circular la órbita de la sonda Magallanes alrededor de Venus. Aliviada de la necesidad de cargar combustible, una sonda que usa el aerofreno puede en cambio llevar doble carga. Sin embargo, la aerocaptura puede ser peligrosa para una misión con tripulación a Marte, pues sometería repentinamente a los astronautas a una aceleración entre 6 y 8 g después de haber estado meses en cero- g. Seis a 8 g causarían que un astronauta de 68 kg (150 libras) pesara 409 a 545 kg (900 a 1,200 libras).

Gracias por el Aventón

Otra técnica que reduce la necesidad para usar cohetes es la asistencia de la gravedad. Ésta usa la gravedad del planeta y su movimiento orbital para arrojar la nave espacial en una nueva dirección y a una velocidad mayor. Al acercarse al planeta, la nave espacial aumenta su velocidad; después de pasarlo, la disminuye. Si el planeta estuviera quieto el proceso sería simétrico: la nave espacial se alejaría con la misma velocidad con la que se acercó. Solamente cambiaría la dirección de la nave.

Pero como el planeta está en órbita alrededor del Sol, el proceso no es simétrico. Si los operadores de control de la misión escogen la trayectoria de acercamiento correcta, la sonda espacial puede tener una ganancia o pérdida neta de velocidad. La asistencia de gravedad más famosa mandó el Voyager 2 de Júpiter a Saturno, Urano y Neptuno. Con cada vuelo cerca de los planetas, la trayectoria de Voyager se curvaba y su velocidad aumentaba en la dirección del movimiento del planeta. La sonda Galileo (ver "He Aquí el Final de mi Viaje", El Universo en la Clase, Otoño 1995) viró una vez por Venus y dos veces por la Tierra para ganar momento para llegar a Júpiter.

Los únicos problemas con las asistencias de gravedad son que aumentan el tiempo de vuelo y que hay que esperar a que los planetas estén alineados en la configuración debida. Voyager viajó de la Tierra a Júpiter en poco menos de dos años sin asistencia de la gravedad; Galileo tardó un poco más de seis años con asistencias.

Tal vez algún día los humanos también viajarán a los planetas---y más allá. Pero mientras más lejos tenga que ir una nave, más problemas encontrará. Para escapar de la gravedad del Sol, una nave espacial lanzada desde la Tierra tendría que ir a 152,000 kilómetros por hora (94,000 millas por hora). Aun a esta velocidad tan respetable, las estrellas parecen estar a distancias imposibles de alcanzar. Las estrellas se encuentran a distancias medidas en años luz. Un año luz es la distancia que viaja la luz en un año, como 9.6 billones de kilómetros (5.9 billones de millas). A la velocidad anteriormente mencionada, tomaría 30,000 años el llegar a la estrella más cercana.

El aumentar la velocidad requeriría motores de cohetes especiales que aún no han sido inventados, para minimizar la cantidad de combustible que la nave espacial necesitaría llevar. Si acelerara a 1g por varios meses, una nave espacial podría ir a la estrella más cercana y regresar en 30 años. Pero para este viaje, hasta el motor de antimateria al estilo de "Viaje a las Estrellas" (Star Trek) consumiría 40,000 toneladas de combustible por tonelada de carga. Las desventajas parecen insuperables, pero recuerden que hace apenas medio siglo muy poca gente creía seriamente que podríamos visitar el espacio.

JAMES J. SECOSKY es maestro de ciencias en Bloomfield Central School en Bloomfield, Nueva York. Antes enseñaba un curso de verano para niños: "Cómo Manejar el Transbordador Espacial". Para mayor información sobre viajes espaciales, un excelente libro es Introduction to Space (Introducción al Espacio), de Thomas Damon, publicado por Krieger Publishing.

¿Qué Tan Rápido Debemos Ir?

La velocidad es el ingrediente esencial en los viajes espaciales. Si puedes ir suficientemente rápido, puedes ponerte en órbita alrededor de un planeta o puedes escaparte del mismo. La velocidad requerida para poner a un satélite en una órbita circular depende de dos cosas: la masa del astro alrededor del cual se pondrá en órbita el satélite y la distancia del satélite al centro del astro. Debido a que los planetas tienen diferentes masas y tamaños, los satélites están en órbita alrededor de ellos a diferentes velocidades.

La primera columna de esta tabla da la velocidad de un satélite en una órbita baja, o sea una órbita cerca de la superficie del astro. Ésta es la velocidad más alta que puede tener un satélite de ese astro; más lejos, un satélite da vueltas a una velocidad más baja. La segunda columna da la velocidad de escape. Cualquier cohete lanzado desde la superficie con esta velocidad se escapará completamente de la gravedad del astro. ¿Notas algo especial sobre los números de estas dos columnas?

Velocidad de un satélite en una órbita baja (kilómetros por hora)
Velocidad de escape desde la superficie (kilómetros por hora)
Sol 1,570,000 2,220,000
Mercurio 7,080 10,000
Venus 21,900 31,000
Tierra 28,500 40,300
Luna 6,100 8,640
Marte 12,700 18,000
Asteroide (típico) 71 101
Júpiter 58,200 82,400
Saturno 23,000 32,600
Urano 19,800 28,000
Neptuno 28,000 39,600
Plutón 1,020 1,440

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