¿Cuánto propelente necesitaría una nave para viajar a Próxima b?

23/09/2016 7 comentarios
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Para dar una idea de por qué enviar una sonda espacial a Próxima b constituye un desafío formidable.

Como muchos sabréis, recientemente se anunció el descubrimiento de que la estrella más cercana a nosotros fuera de nuestro sistema solar, Próxima Centauri, posee un planeta en su zona de habitabilidad y cuya masa es algo mayor que la de la Tierra. Este fenomenal descubrimiento ha despertado un lógico interés acerca de los viajes interestelares y sobre la posibilidad de enviar algún artefacto a ese planeta, bautizado como Próxima b, para que lo investigue de cerca algún día. En la entrada pasada pudimos dar un significado intuitivo a los 4,2 años-luz de distancia que nos separa de Próxima Centauri y su planeta, y en esta entrada pretendo dar una idea de por qué enviar una sonda espacial a Próxima b constituye un desafío formidable, tanto que, ya avanzo, es difícil de concebir.

En mayor o menor grado, todos sabemos que los viajes interestelares constituyen un reto de enorme magnitud debido a las grandes distancias que sabemos que nos separan de las estrellas. Sabemos que hay entre cien y cuatrocientas mil millones de estrellas solo en nuestra galaxia, y que todas ellas se encuentran a enormes distancias de nosotros, pero en el caso específico de Próxima Centauri estaríamos hablando de la más cercana de todas ellas; ¿es realmente un reto tan difícil el envío a la estrella más cercana de si quiera una sonda de muy poca masa?, ¿aunque tardara varias generaciones en llegar?

Como ya hice en la entrada anterior, para hacernos una idea del reto que supone algo así, le haré al lector otro planteamiento que también suelo hacer en reuniones informales cuando surge este tema: imaginemos que queremos lanzar una sonda automática de tan solo 1 kg de masa con la intención de que llegue a Próxima b en 1.000 años. Podemos pensar en diferentes sistemas para propulsar una nave así pero, para este ejemplo, vamos a usar la propulsión química. En concreto, vamos a usar oxígeno líquido como comburente e hidrógeno líquido como combustible. Esta es una mezcla muy típica para motores cohete como los que utilizó el Transbordador Espacial, el cohete lunar Saturno V en dos de sus etapas o los que propulsaron en el espacio a las sondas Voyager y New Horizons, por ejemplo.

Próxima Centauri. Fuente: The Two Micron All Sky Survey at IPAC.Así pues, la pregunta concreta que planteo es la siguiente: usando un motor de oxígeno e hidrógeno líquidos como los usados para las sondas Voyager y New Horizons, ¿qué cantidad de propelente (combustible + comburente) cree usted que sería necesaria para hacer llegar una sonda de 1 kg a Próxima b en 1.000 años?

Para aclarar la pregunta, tenga en cuenta que no estamos considerando un viaje en el que nuestra sonda se frene al llegar al planeta para orbitarlo, lo cual implicaría transportar el propelente adicional necesario para provocar el frenado de la nave. Y, por otra parte, tampoco consideramos en este planteamiento el propelente necesario para primero lanzar desde la Tierra al espacio toda la carga, consistente en la sonda más el propelente que la propulsará hacia Próxima b desde el espacio. En este caso, la pregunta solo se refiere al escenario en el que ya tenemos todo en el espacio listo para propulsar la nave hacia Próxima b de forma que llegue al exoplaneta en 1.000 años solo para sobrevolarlo a la velocidad con la que llegue allí, sin frenarse. Entiendo que esta es una pregunta difícil de contestar sin más información; pero, si se anima, trate de pensar en una cantidad antes de seguir leyendo. Le daré la respuesta un poco más tarde.

El que nuestra sonda tenga poca masa, apenas 1 kg, ayuda a ahorrarnos propelente ya que se precisa más energía para acelerar vehículos de mayor masa, igual que necesitamos usar más combustible para acelerar un camión de gran tonelaje que un turismo o una moto. En nuestro caso, 1 kg viene a ser una masa bastante pequeña en comparación con las masas típicas de las sondas que enviamos a explorar el espacio. Las sondas Voyager, por ejemplo, tienen una masa de algo más de 800 kg mientras que New Horizons tiene actualmente una masa algo superior a los 400 kg.

La duración del viaje también es un factor muy importante a efectos de la cantidad necesaria de propelente. Mil años pueden parecer muchos años, pero esta duración implica imprimir a la nave una velocidad de casi 1.270 kilómetros por segundo, casi 75 veces la velocidad de la sonda Voyager 1, la que más velozmente se aleja de nuestro sistema solar en la actualidad. La masa de propelente necesaria crece de forma exponencial con la velocidad debido a que el sistema de propulsión tiene que acelerar no solo a la nave sino también a todo el propelente que es necesario para propulsarla y que se va consumiendo en el proceso de aceleración. Este hecho tiene implicaciones enormes en la cantidad de propelente, unas implicaciones que, como veremos, son difíciles de imaginar para el caso de un viaje a Próxima Centauri de solo 1.000 años.

Distancias al Sol en Unidades Astronómicas (UA). 1 UA = distancia de la Tierra al Sol. Ojo, la escala es logarítmica, de forma que Voyager 1 no está 3 veces más lejos del Sol que la Tierra sino más de 100 veces más lejos (136 veces). Fuente: NASA/JPL-Caltech.

Otro aspecto importante es el tipo de propulsión empleada. La propulsión química es ideal para muchas situaciones debido a que gracias a ella se puede ejercer una gran fuerza. Sin embargo, una vez en el espacio, aunque hay otros factores de diseño que influyen en la decisión de optar por uno u otro sistema de propulsión, la propulsión química puede resultar menos adecuada a medida que se deseen cubrir mayores distancias ya que posee, fundamentalmente, un impulso específico bajo.

El impulso específico, o Isp, es un parámetro expresado en segundos que sirve para describir la eficiencia del sistema de propulsión empleado por un cohete: nos viene a informar de cuánto impulso (fuerza de empuje multiplicada por el tiempo) produce por unidad de masa de propelente consumida, de forma que, a la hora de ahorrar propelente, queremos que el Isp sea lo mayor posible. En concreto, en nuestro planteamiento estamos usando el mismo sistema de propulsión que aceleraron en el espacio a las sondas Voyager y New Horizons, un sistema químico cuyo Isp es de 450 segundos.

Otros tipos de propulsión, como la propulsión iónica, serían más adecuados para cubrir largas distancias ya que sus Isp son mayores, de unos pocos miles de segundos. Estos motores ejercen fuerzas muy pequeñas, pero, una vez en el espacio, pueden actuar durante períodos de tiempo muy largos, durante semanas, meses, o incluso más tiempo, pudiendo imprimir así velocidades más altas que las conseguidas por sistemas químicos. La propulsión iónica ya se ha usado en varias misiones, como la Deep Space 1, Dawn o Hayabusa, y sería más eficiente que la propulsión química para un viaje a Próxima Centauri, aunque seguiría sin ser la solución.

Se plantean otros sistemas de propulsión para el futuro que poseen impulsos específicos mucho más altos, como la propulsión por fusión nuclear o por reacción de materia con antimateria, también se proponen ideas de velas propulsadas por láseres, así como otras propuestas más exóticas; sin embargo, ninguno de estos sistemas es viable en la actualidad, aunque puede que lo sean en el futuro.

Llegados a este punto, ahora que hemos dado un breve contexto al problema a través de los aspectos clave involucrados en un hipotético viaje a Próxima b (duraciónmasa de la sonda y sistema de propulsión), contestemos a la pregunta que formulé al principio. Cuando hago esta pregunta en reuniones informales al salir este tema, el rango de contestaciones abarca siempre un espectro francamente amplio; pero, como sucedió en el planteamiento que hice en la entrada anterior, en este caso, de nuevo, nadie se acerca nunca si quiera mínimamente a la realidad. 

Tal vez usted contestó que la cantidad de propelente necesaria sería de cientos de miles de toneladas, como la masa de 100 cohetes lunares Saturno V, de 3.000 toneladas cada uno y, aún a día de hoy, el cohete más poderoso de la historia; o tal vez pensara en millones de toneladas, equivalente a miles de cohetes Saturno V. Esto, por sí solo, no haría imposible el envío de nuestra pequeña sonda a nuestra estrella más cercana fuera del Sistema Solar, pero sí lo haría muy complicado o inviable en la práctica. Puede que contestara una cantidad mucho mayor, tal vez que serían necesarios millones de cohetes como el Saturno V, tal vez cientos de miles de millones de ellos. Lo cierto es que habría dado prácticamente igual: se habría quedado corto…

La respuesta le va a sorprender. La realidad es que la masa de propelente necesaria para hacer llegar una nave de 1 kg a Próxima b en 1.000 años usando un típico motor de propulsión química es muchos órdenes de magnitud superior a la masa que aglutina toda la materia contenida en el universo observable, la de todas sus galaxias con todas sus estrellas, planetas, agujeros negros y cualesquiera cuerpos y elementos contenidos en él …y, por si se lo está preguntando, en esta cantidad incluyo también la masa correspondiente a la materia oscura. De hecho, la duración del viaje debería ser de cerca de 2.400 años para que la cantidad de propelente necesario fuera equivalente a la masa del universo observable. Para una duración de 1.000 años, si el sistema de propulsión fuera uno de tipo iónico como los ya utilizados, con un Isp típico de 3.000 segundos, la masa necesaria de propelente sería de alrededor de 5,5 trillones de kilos (un 55 seguido de 17 ceros); esto es, la masa de unas 13 billones (un 13 seguido de 12 ceros) de estaciones espaciales internacionales, equivalente a casi dos billones de cohetes Saturno V como los que llevaron seres humanos a la Luna.

Y recordemos que ninguno de estos casos tiene en cuenta el lanzamiento de todo ese propelente al espacio desde la Tierra y que solo nos serviría para hacer llegar en 1.000 años nuestra pequeña sonda de 1 kg a Próxima b, el planeta que orbita a nuestra estrella más cercana fuera del Sistema Solar, sin frenar en el planeta, solo para sobrevolarlo y pasarlo de largo. Sin entrar en más detalles, el propósito de ofrecer estos datos es el de podernos hacer una mejor idea de por qué enviar algo, no ya a las estrellas, sino a nuestra estrella más cercana, supone un reto de dimensiones tan absolutamente inconcebibles. Los viajes a Próxima Centauri para masas del oreden de 1 kg empezarían a poder ser relativamente prácticos con valores de Isp del orden de los 100.000 segundos, correspondientes, en teoría, a sistemas de fusión de alto rendimiento. Esperemos que el futuro nos depare avances científicos y desarrollos tecnológicos que lo hagan posible.