¿Por qué ha costado tanto llegar al espacio?

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Para muchos el espacio es puro idealismo, pasión, "wishful thinking", pero no es así.  El problema no es tanto el espacio como el problema de vehículos desechables.

Vehiculos desechables

¿Cómo sería un vehículo desechable?

  • Tomas el autobus hacia tu trabajo y al llegar lo mandas a demoler.
  • Tomas el coche para ir al supermercado, y luego lo mandas a la demoler para acelerar y frenar.
  • Viajas a caballo desde la finca hasta el pueblo y lo lanzas por el acantilado al llegar al pueblo.

¿Sería rentable andar a caballo, en autobus o en coche?

Las capas de la atmósfera

En Marzo de 2016 tuvo lugar en Costa Rica el UN/Costa Rica Workshop on Human Space Technology.  Uno de los que asistieron a la conferencia espacial, el señor José Pablo Luna Sánchez. El Sr Luna explica cuál es la dificultad que existe para la reutilización de cohetes.

Imagina que vives en el fondo del mar, y quieres entregar una carta a una persona que está en un avión en la estratosfera.  Tendrías que buscar una manera de salir del denso mar, probablemente nadando hacia arriba, y luego empezar a elevarte de alguna manera, y acelerar horizontalmente para alcanzar al avión.  y aunque ese ejercicio parezca dificil, es más fácil de realizar que un viaje al espacio.  Y encima tienes un vehículo desechable, pero la lógica es la misma, viajas desde un lugar de atmósfera densa y viajas alto a un sitio donde debes viajar a cierta velocidad.

Vamos a dividir la atmósfera en tres capas definidas arbitrariamente por el Sr. Luna.  

  • La inferior (capa 1) va de los 0 km sobre el nivel del mar a los 45 km.  Las velocidades a las que puedes viajar allí son subsónicas.  Aunque puedes volar de manera supersónica, no es lo usual.  La mayoría de nuestra existencia la pasamos en ese rango de alturas y velocidades.
  • La capa superior (capa 3) va de los 150 km en adelante, y tu velocidad mínima es la que necesitas para mantenerte en órbita.  Podría rondar los 7.5 km por segundo.  No hay manera de viajar más lento que la velocidad orbital para mantener una órbita, sin caerse a la Tierra.
  • La capa 2 es sólo zona de paso.
     

En la capa 1 es donde operan los "Boosters" (cohetes auxiliares) y operan las  leyes que describen el comportamiento de los aviones.  En la capa 2 es donde tenemos los problemas, porque no puedes ni volar tranquilo, ni tener una órbita estable. y en la capa 3 ya tenemos leyes de Kepler describiendo el movimiento de los objetos.

La grafica anterior muestra alturas y velocidades en que solemos movernos.  La zona de capa 1 es una region pequeña.  Para ir o volver de la capa 3 es necesario atravesar los rangos de altura y velocidad de la capa 2, que es gigantesca.  Eso significa mucha energía.  Y por eso la cohetería es colosalmente tan dificil.  La capa 1 la he tirado a 45 km porque es donde la mayoría de los boosters o primeras etapas de cohetes pueden regresar o ser recogidos sin problema, pero normalmente casi nadie viaja por encima de 10 km que es donde empieza la estratosfera.

Si solo se tratara de altura no habría tanto problema.  Podríamos saltar en paracaidas sin quemarnos.  Pero como hay una velocidad horizontal increíble para mantener la órbita, la transición resulta tan dificil como ir a pie y entregar una carta a un avión que pasa.  O es tan dificil como bajarse de un avión en vuelo, pero en lugar de paracaidas se usa escudo térmico.  Estar en órbita parece ser un movimiento lento, pero es porque la altura da la ilusión de lentitud.  

El viaje entre capas de la atmósfera

Cuando vas de la capa 1 a la capa 3, tienen que darle la energía potencial (altura) y energía cinética (velocidad) a la nave para alcanzar el umbral de altura y velocidad.  Pero hay un agravante.  La energía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad, de modo que conforme aceleras, te resulta cada vez más costoso, en términos de energía, acelerar la nave para llegar al umbral mínimo de velocidad.  

Ascenso (Energía) -> Combustible para ascender + combustible para ganar velocidad horizontal + Combustible para compensar la fuerza de arrastre atmosférico

Al regreso, hay varias maneras de frenar.

  • Con retrocohetes
  • Con la atmósfera (aerofrenado)
  • Golpeando el suelo (litofrenado)

Cuando hablamos de aerofrenado, se puede escoger una entrada rápida de alta temperatura o una entrada lenta de baja temperatura.  Cada una tiene ventajas y desventajas.

Al final lo que va a pasar en el frenado atmosférico es que toda esa energía potencial y cinética que tenía la nave se va a convertir en calor y desgaste del escudo térmico.  Frenar con retropropulsores significaría gastar mucho combustible.  En el ascenso viajamos de la capa 1 a la capa 3 y al regreso viajamos de la capa 3 a la capa 1.

La capa 2 sólo sirve para calentar y frenar la nave, y calentar y desechar las etapas en las que la segunda etapa de un cohete se deshace.  Es tanta la energía disipada que se deshace, y los pocos restos que queden, caen a la superficie sobre el mar.

Descenso ( Energía) -> Calor al desacelerar con aerofrenado

El aerofrenado empieza con vuelo hipersónico, donde hay un comportamiento muy particular (véase Hypersonic Flow).  ¿Se calienta el aire por rozamiento?  Realmente no tanto.  Al usar el aire que tienes enfrente como colchón, lo que haces es comprimirlo y acelerarlo, y al comprimir aire, se calienta (puedes observar eso en la manguera del inflador de bicicleta cuando inflas una llanta).  El aire se calienta tanto que se forma plasma que interfiere las comunicaciones en ciertos momentos de la entrada a la atmósfera.  Irónicamente cerca de la superficie de la nave se forma un flujo laminar de aire que enfría e impide en alguna medida que el plasma supercalentado entre la frontera de choque (que es donde el aire empieza a ser acelerado) caliente en exceso la nave.  Este comportamiento es lo que lleva a las cápsulas espaciales al extremo.  Se puede ver perfectamente lo que significa si ves la película Gravity.

Si en lugar de ir a la capa 3 y quisieras tener un avión suborbital que viaje en la capa 2 y luego descienda, para aprovechar la reducida resistencia de al atmósfera en la capa 2, para la velocidad a la que podrías obtener sustentación para seguir volando, con gran facilidad tendrías plasma calentando tu nave, porque comprimes mucho aire al frente y lo calientas.  Y si te metes desde la capa 3 el aerofrenado calentará tu nave. Es decir, esa capa 2 es una pesadilla para los ingenieros aeroespaciales.

No se trata de que la capa 3 queme las cosas.  Se trata de que es muy ligera para sostener un ala, y lo suficientemente densa para un aerofrenado intenso.

La batalla de los lanzadores

El gran logro de SpaceX de Elon Musk (CEO de Tesla), es haber logrado abaratar sus cohetes Falcon 9 hasta los $60 millones, y aprovisionar de combustible ronda los $350 mil.  Para bajar precios han hecho que la primera etapa no se deseche, sino que vuelva a aterrizar.  Cada etapa del cohete es una montaña de dinero.  En este momento hay 4 entes que han lanzado cápsulas de manera exitosa al espacio:  China, Rusia, EUA y SpaceX.

El cohete Delta IV Heavy de ULA tiene un costo estimado de lanzamiento que ronda los $220 millones.  Se estima que el Falcon Heavy rondaría los $90 millones cuando se lance por primera vez.  Blue Origins de Jeff Bezos, CEO de Amazon, también está en la carrera.  ULA y Blue Origins han establecido una alianza de trabajo conjunto.

Diferentes cohetes tienen distintas capacidades de carga, y será en el costo por kilogramoque se mida el desempeño de cada lanzador.  ¿Quién ganará la batalla?

Es una batalla de costes. Actualmente en el mundo suele haber unos 40 lanzamientos por año, y eso es menos que los que había en los 1970.  El tema de economía viene dado por la cantidad de lanzamientos, porque los costes fijos son muy altos, y la inversión de capital es muy alta, por lo que la economía de escala es fundamental.  Aunque todavía no tengamos una explotación del espacio muy amplia en términos de lanzamientos, al reducirse costes veremos mejoras en la accesibilidad del espacio.  Es como cuando veíamos los primeros aviones que sólo los ricos podrían comprar, en comparación con el concepto de aerolínea.

Si la competencia de lanzadores tiene éxito (esperemos que sí) se podría esperar una reducción de costo de las misiones a un centésimo del costo que tiene una misión gubernamental.  Y si soñamos con idealismo super tecnoptimista, ¿será posible llevarlo a un milésimo?  Sólo el tiempo dirá.  

Ideas alocadas

El Sr. Luna indicaba que en Youtube hay quienes quisieran que en lugar de Marte se colonizara Venus.  Es una idea muy loca, vivir en una base sostenida por globos.  Lo más alocado no es que quieran vivir flotando por encima de un marasmo ácido, corrosivo y aplastante, sino que para lograrlo tendrían que crear una colonia en la capa 2 de Venus.  En este momento, con la tecnología actual, parece algo totalmente descabellado, como todo invento lo parece al inicio.  Sin embargo, los amantes de esta idea pueden empezar a crear las tecnologías para lograrlo.  Si se trata de zonas cultivables, existen los "jardines verticales", de modo que puedes cultivar plantas en las paredes. Y esto reduce mucho el tamaño y peso de la colonia flotante sostenible.

Indica que si logran crear una colonia en la capa 2 de la atmósfera terrestre, las posibilidades son muy locas.  Podrían crear la "ciudad de las nubes" desde la cual se podría lanzar cohetes a la capa 3, y subir todo lo necesario a esa ciudad con un elevador, o crear una plataforma de aterrizaje en las alturas.  Claro, para tener la flotabilidad necesaria tendría que ser una construcción colosal.  Mientras tanto, la capa 2 es temporalmente inútil.  Los que defienden la base en venus critican a los que quieren Marte de "surfacism" (superficialismo) la manía de querer poner una base sobre superficie sólida.  Por el momento el "anti-superficialismo" de los pro-Venusinos todavía tiene la ocasión de demostrar con evidencia científica que se puede colonizar la capa 2 de la atmósfera.  Si eres de los pro-Venusinos, puedes empezar a demostrar conceptos.  Lo peor que puede pasar es que no funcione (que es lo que los números dicen).  Lo mejor sería darle un futuro al uso comercial del espacio con una plataforma en la capa 2.

Claro, la energía potencial es proporcional a la altura, mientras que la energía cinética se mueve con el cuadrado de la velocidad, lo que significa que ahorrarse un poco de aceleración dará mucha más energía que un poco de altura, y eso hace que la contribución al ahorro por tener ciudades estratosféricas para lanzar cohetes arrojen ahorros de energía menores al 2%.  Una ciudad de las nubes no es una idea muy útil por sí misma, pero permite crear nuevas tecnologías que pueden usarse para otra cosa.

El combustible para lanzar un cohete de $60 millones de SpaceX cuesta apenas $200 mil. Si te ahorras un 2% por lanzar desde la estratósfera, tendrías que gastar menos de $2000 en transportar el cohete y lanzarlo en la capa 2.

Ir al espacio ha tenido precios muy caros por distintos factores de ineficiencias.  Con Elon Musk, al que le gusta llevar los costes al mínimo, el futuro augura sorpresas agradables para los amantes del espacio.  La posibilidad de que los cohetes se puedan recargar y volver a volar rápidamente, como si se tratara de un avión, es emocionante.  Es en esta reutilización vehicular donde subyace la clave para hacer accesible el viaje al espacio.

Te preguntarás porqué tanto tiempo ha pasado desde que el ser humano fue por última vez a la luna.  La razón es simple, desde los 1960 no ha habido diseños radicales en tecnología de cohetes.  Te comprabas un libro de 1960 y te ponías al día con los conocimientos.

  1. en respuesta a alpibardos
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    #8
    09/08/16 08:22

    El problema actual del espacio parece ser que igual que el desierto de Las Vegas, todavía no hay un Las Vegas. Y a mucha gente no le apetece ir a un terreno baldío a pasear por el momento.

    Y no ayuda mucho el que la gravedad terrestre convierta la superficie terrestre en el fondo de un agujero del cual cuesta mucho salir.

  2. en respuesta a Comstar
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    #7
    09/08/16 06:01

    Para mi no tiene recursos ni teniendolos.

  3. en respuesta a alpibardos
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    #6
    08/08/16 12:01

    Lo que estas diciendo es que hay consumo y no creacion de medios de produccion. Esto es porque la guerra destruye las balas, personas, cosas y encima destruye la economia de la zona de guerra.

    Si la ganancia es la "reconstruccion", entonces mejor construyan cohetes para reconstruir en el espacio. De otro modo es como gastar en cavar un hoyo y luego cubrirlo de nuevo.

    El internet no solo es espacio vacio, sino que encima es virtual. Tener un negocio en internet deberia ser reciclaje de balas virtuales. Pero nada se destruye.

    El espacio tiene recursos, de modo que es como un terreno que puedes decir que es inutil lleno de cizaña, o puedes construir un estadio y ganar dinero con un mundial de futbol.

  4. en respuesta a Comstar
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    #5
    08/08/16 11:11

    Si usted lo quiere ver así que voy a decir yo.

    Yo lo veo como si en una guerra me cuentan la ventaja que van a tener por reciclar la munición.

    Cuando no hay valor añadido lo que unos ganan otros lo pierden.

  5. en respuesta a alpibardos
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    #4
    01/08/16 12:51

    En realidad la basura espacial presenta objetos para practicar métodos de transporte para la minería espacial. Es como jugar a los legos antes de construir rascacielos.

  6. #3
    01/08/16 11:44

    "aplicar velocidad"
    Si aplica velocidad no va por buen camino, la velocidad no se aplica, es un resultado digamos de una u otra fórmula.
    Normalmente hablamos de lo que cuesta ir del punto A al punto B, un espacio acotado. No estamos hablando del espacio de la física.
    El reciclaje. Como eran podersos se permitió que "llenasen el ¿Espacio?" de basura, debiera haberse obligado al reciclaje que seguramente es caro. Ya no reciclan ni los botellines.
    Permitaseme decir una mentira, ahí fuera no hay nada, es posible que sea cierto en el 99% de los casos.
    http://slideplayer.es/slide/1034432/
    Mi cassa.

  7. en respuesta a Darío Corral
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    #2
    31/07/16 07:27

    El elevador espacial tendría que tener unos 35 mil kilometros de altura para llegar a altura geoestacionaria, donde ya no hay que aplicar velocidad para entrar a la órbita, eso es como construir un rascacielos de 35 mil km.

  8. #1
    30/07/16 00:59

    Muy interesante Comstar,

    Había escuchado que tal vez podría ser válida dentro de poco esta opción para solucionar el problema:

    https://es.wikipedia.org/wiki/Ascensor_espacial

    Un saludo