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Según la opinión de muchos científicos, la década que iniciamos será conocida como la década de Marte, dado el enorme interés que está suscitando la posibilidad de colonizar tanto la Luna como Marte. Las diferentes agencias espaciales nacionales (NASA, ESA, CNSA, ROSCOSMOS, JAXA, …) y empresas privadas como (SpaceX, Blue Origin, Boeing, Virgin Orbit, …) están preparando el lanzamiento próximo, de satélites observacionales y misiones robóticas a dichos destinos (ExoMars Rover, Mars Rover 2020, MGRSO, Hope, Lunar Scout, Chang’e 5 entre otras muchas). Por tanto, es poco arriesgado suponer que, a finales de esta década, estemos en disposición tanto tecnológicamente como emocionalmente de iniciar esta apasionante y gigantesca aventura.

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Física del viaje espacial.

Siempre que hablemos de un viaje espacial, el primer gran reto es abandonar el enorme pozo gravitatorio que representa nuestro planeta con su acogedora atmósfera protectora y adentrarnos en un universo de distancias inmensas y condiciones aterradoras (vacío casi absoluto, temperaturas próximas a 0ºK, radiaciones mortales y otras amenazas similares) a pesar de esto, hoy somos capaces de hacerlo y lo hemos demostrado. Centrándonos en el sistema solar, todos los objetos que lo forman (Sol, planetas, satélites, cometas, asteroides, etc.) en primera aproximación, se rigen por un pequeño grupo de leyes físicas ( leyes de Kepler y leyes de Newton), de tal forma que con estas “sencillas” leyes, podemos determinar en todo momento qué energía, distancia y en qué posición se encuentran todos los objetos que lo componen.

Esta idea se resume en que cualquier objeto gira alrededor del cuerpo más masivo y cercano en una órbita elíptica (los planetas alrededor del Sol, los satélites alrededor de los planetas) y simplificando aún más, podemos decir que viajar por el espacio (en el entorno solar) es pasar de una órbita inicial a otra órbita final.

Hablando de órbitas:

Podemos definir varias órbitas donde las naves puedan estar moviéndose en el espacio. Los mismos tipos podríamos definirlos para Marte (LMO, MMO, GMO, HMO).

• LEO: Low Earth Orbit. Comúnmente conocida como «órbita baja», es una franja orbital que se sitúa entre los 160 y 2.000 Km de altura. Es una órbita circular donde se encuentra la Estación Espacial Internacional (ISS), la gran mayoría de los satélites meteorológicos o de observación y muchos satélites de comunicaciones.
• MEO: Medium Earth Orbit. órbita circular intermedia, entre 2.000 y 35.000 Km de altura. Usada por satélites de observación, defensa y posicionamiento, como las redes satelitales de GPS.
• GEO: Geoestationary Earth Orbit. Esta órbita ecuatorial se ubica a 35.786 km de la superficie terrestre y tiene un período orbital de 23,93446 horas, lo que hace que los satélites puestos en esa órbita parezcan «inmóviles» en el espacio, ya que su velocidad orbital es la misma que la velocidad angular de la Tierra. Esta órbita es el lugar donde se ubican todos los satélites que proveen internet, televisión, telefonía y datos.
• HEO: High Earth Orbit. Básicamente, son todas las órbitas altas, que se ubican a más de 36.000 Km y con períodos orbitales mayores a 24 horas.
• C3=0: Orbita de escape. Conocida también como orbita de interceptación, de transferencia, esfera de influencia. Situada a una distancia de 924.000 Km. Un cuerpo en esta órbita tiene en cada posición la velocidad de escape para esa posición con respecto a la Tierra.

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Siguiendo con la física:

Existen cuatro conceptos o magnitudes básicas del viaje por el espacio.

• Velocidad orbital (v_orb), es la velocidad que debe tener un objeto para que su órbita sea estable. Siendo (a) el semieje mayor de la elipse.
• Delta-v (Δv), mide literalmente el cambio de velocidad (aceleración) que debemos llevar a cabo en una maniobra orbital (ponerse en órbita alrededor de Marte, o pasar de orbita LEO a GEO) y es proporcional a la energía requerida para realizar dicha maniobra, esta cantidad de energía se rige por la famosa ecuación del cohete de Tsiolkovski[1].
• Impulso específico (I_sp), es el tiempo en segundos durante el cual 1 kg de propelente (combustible + Oxidante) producirá un empuje de 1 kg de fuerza. El I_sp es una característica intrínseca del propelente (Queroseno o RP-1 = 370 s, frente a H2 = 535 s). La cantidad de propelente se puede medir en unidades de masa (mc) o peso (p = m_c g_o). Si se utiliza masa el I_sp está en unidades de velocidad y se denomina velocidad de escape efectiva. Si se utiliza peso el I_sp se mide en segundos.
• Empuje (F), es la fuerza que se genera cuando una masa es acelerada, o un sistema expele materia (propelente) en una dirección y sentido fijo (acción), la masa acelerada causará otra fuerza igual, pero en sentido contrario (reacción) a la nave. El Empuje es una característica intrínseca del sistema de propulsión y está en relación con el I_sp y la cantidad de propelente (C = Cantidad de propelente por unidad de tiempo) que podemos utilizar.

[1]Konstantín Eduárdovich Tsiolkovski: físico ruso, (1.857-1.935), conocido como el «Padre de la Cosmonáutica«, autor de una famosa y clarividente frase «La Tierra es la cuna de la humanidad, pero no se puede vivir en una cuna para siempre».

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Propulsión Espacial:

Como ya hemos comentado viajar por el espacio, es pasar de una órbita a otra y para ello debemos dar a nuestra nave un empuje mediante un sistema de propulsión espacial. Se denomina propulsión espacial a cualquier tecnología capaz de impulsar (imprimir aceleración) a una nave por el espacio. Debido al vacío del espacio, cualquier aceleración deberá basarse en la tercera ley Newton (ley de acción y reacción). Los métodos de propulsión pueden clasificarse mediante la manera de acelerar la masa reactiva (propelente), se busca que tenga el máximo (I_sp) y el máximo empuje (F), esto no siempre es posible y tendremos que decidir qué propulsor usar en función de las necesidades técnicas. Los podemos resumir en la siguiente tabla.

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Los propulsores químicos, son los únicos utilizados hasta el momento para salir de la Tierra, utilizan propelentes (propulsantes o propergol), que son substancias generalmente compuestas por un combustible y un oxidante, denominados bipropelentes, pudiendo estar en estado sólido, líquido, gaseoso o mixto. Estos propelentes reaccionan en la cámara de combustión, generando gases a alta presión y gran temperatura. Cuando estos gases salen por la tobera a gran velocidad, generan el empuje necesario para elevar y acelerar un cohete. Algunas substancias combustibles ya contienen la cantidad de oxígeno suficiente para alimentar la combustión, y se denominan monopropelentes. Tienen la ventaja que simplifican notablemente el sistema de alimentación, pero sacrificando eficiencia propulsiva y presentan graves problemas de seguridad. Presentamos una lista no completa con las múltiples sustancias que pueden actuar como propelentes y su I_sp para compararlos.

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Marte.

Marte es básicamente un planeta rocoso, presentando en su superficie múltiples cráteres, llanuras de lava y recubierta de un fino regolito, esto hace pensar que fue escenario de grandes eventos sísmicos, volcánicos y de impacto de meteoritos.

Tiene abundancia de minerales de silicio y oxígeno, así como de metales diversos, con un alto contenido de óxidos de hierro (de ahí su color rojizo). Su suelo volcánico presenta grandes fallas y depresiones pronunciadas, en él se encuentra la montaña más alta, el Monte Olimpo (con 22,5 km de altura) y el cañón más grande del sistema Solar, el Valle Marineris (con sus más de 4.000 km de extensión, 200 de ancho y 10 de profundidad).

No existe agua en estado líquido en Marte, dado que la presión atmosférica no lo permitiría. Sin embargo, se sabe que existen en sus polos sendos casquetes que parecen estar formados por hielo. Se calcula que, si se derritieran, podrían cubrir la superficie del planeta con una profundidad de 11 metros. En 2.013 se publicó el análisis de las muestras del Rover Curiosity, según las cuales habría en Marte entre un 1,5 y 3% de agua. Sin embargo, estudios más recientes demostraron la aparición de agua líquida en algunas regiones del planeta, dependiendo de la estación climática.

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Viaje a Marte.

La colonización de Marte se refiere a la posibilidad futura de que el ser humano habite dicho planeta de manera permanente. Muchos científicos consideran que la colonización del espacio es un paso deseable y tal vez inevitable en el futuro de la humanidad. Es el planeta más fácil de alcanzar desde la Tierra dada su “cercanía” y el que tiene unas condiciones “similares” a la Tierra. Para hacernos una idea del viaje vamos a analizar dos parámetros: Energía requerida y duración de este.

Energía requerida:

Analizamos la energía en términos de Delta-v. En el siguiente grafico podemos ver un curioso “mapa de metro” presentado por Ulysse Carion[2], donde nos muestra el coste en Delta-V para viajar por el sistema solar. El viaje a Marte lo realizaremos saltando a diferentes órbitas y utilizando el mapa de Delta-V, podemos decir:

[2]Ulysse Carion: Software Developer in San Francisco, California; Alumnus 2017 of the University of California, Berkeley.

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Viaje de ida a Marte: TOTAL                               (Δv = 18,32 Km/s)

 Superficie Tierra a LEO                                                (Δv = 9,40 Km/s)

LEO a Interceptación Tierra                                          (Δv = 3,21 Km/s)

Interceptación Tierra a Interceptación Marte                (Δv = 1,06 Km/s)

Interceptación Marte a LMO                                          (Δv = 1,44 Km/s)

LMO a superficie Marte                                                 (Δv = 3,21 Km/s)

Viaje de vuelta a Tierra: tiene un coste en    (Δv) similar.

Estas cifras pueden ser un poco inferiores si aplicamos técnicas de aerofrenado (utilizando la atmósfera del planeta para frenar la velocidad de descenso) o de asistencia gravitatoria (maniobra destinada a utilizar la energía del campo gravitatorio de un planeta o satélite para obtener una aceleración o frenado de la nave).

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Etapas del viaje a Marte:

Un viaje a Marte se puede organizar en tres etapas, perfectamente diferenciadas por sus requerimientos técnicos y de duración del viaje, que denominaremos:

• Etapa Tierra: Superficie Tierra a Orbita aparcamiento Tierra. Requerimientos de energía (Δv = 10,40 Km/s), duración del viaje (días). Fuerza dominante gravedad Tierra, en esta etapa necesitaremos un propulsor con un alto empuje para salir del pozo gravitatorio de la Tierra. Definimos la órbita de aparcamiento como una órbita intermedia entre LEO y órbita interceptación Tierra, en ella instalaremos una estación de intercambio para continuar viaje a Marte.
• Etapa Espacio: Orbita aparcamiento Tierra a Orbita aparcamiento Marte. (Δv = 4,70 Km/s), duración del viaje (meses). Fuerza dominante gravedad Sol. Es la parte del viaje que más distancia cubre y la más duradera, en esta situación necesitaríamos un propulsor con un Isp elevado para reducir el tiempo del viaje.
• Etapa Marte: Orbita aparcamiento Marte a superficie Marte (Δv = 3,21 Km/s), duración del viaje (horas). Fuerza dominante gravedad Marte. Lo mismo que en Tierra instalaremos otra estación de intercambio. Aterrizaje en Marte.

Etapa Tierra:

La podemos realizar utilizando grandes cohetes de propulsión química (alto empuje) para vencer la gravedad Tierra, estos transportaran la máxima carga útil a la órbita de aparcamiento y regresaran a Tierra para repetir el proceso. Como hemos visto es la etapa más costosa (Δv = 10,40 Km/s), pero tiene la ventaja que llevamos más de 60 años realizando lanzamientos al espacio, la tecnología implicada es conocida y está siendo mejorada y depurada constantemente, además tenemos a nuestra disposición todos los recursos del planeta y de todas las naciones, por tanto, esta etapa la consideramos común a todas las propuestas de colonización y técnicamente madura.

En la siguiente tabla podemos ver un resumen de los cohetes más representativos de las últimas décadas, sus motores y propelentes. Es de suponer que, en los próximos 10 años, podamos disponer de un gran cohete-Tierra reutilizable, un motor optimizado para trabajar en la atmosfera de la Tierra y un propelente eficiente y económico, tal que sea capaz de llevar a orbita de aparcamiento una carga (útil + mecánica) entre 250-300 Tn, con un consumo estimado de (3.500 Tn de propelente por viaje).

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Etapa espacio:

Sabemos que tanto la Tierra como Marte giran alrededor del Sol en orbitas elípticas, la Tierra (365,26 días) y Marte (686,98 días). Cada 26 meses se produce un alineamiento entre Tierra, Marte y Sol. Dichas configuraciones se conocen como oposición y conjunción (ver imagen), por tanto, cada 26 meses se abre una ventana óptima para el lanzamiento a Marte. El viaje se realiza en una órbita heliocéntrica (conocida como órbita de transferencia a Marte MTO), como posibles trayectorias, tenemos:

MTO de Hohmann[3]: Es la trayectoria de mínima Delta-V entre dos órbitas. Es una órbita elíptica en la que el perihelio está situado en la órbita de partida y el afelio en la de llegada. Se calcula que para el caso de Marte de LEO a LMO se necesita (Δv = 5,71 Km/s) y la duración del viaje se estima en 8,5 meses.

MTO de oposición: Son trayectorias con energía un poco superiores a una órbita de Hohmann. La duración del viaje es aproximadamente de unos 6 meses.

MTO de conjunción: Son trayectorias con un consumo elevado de energía y gran duración.

[3]Walter Hohmann (1880-1945): fue un ingeniero alemán que contribuyó de forma muy importante a la dinámica orbital.

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Propuestas actuales para colonizar Marte.

Las actuales propuestas para viajar a Marte y establecer una pequeña colonia, tanto las de NASA como las empresas privadas como Space-X, se basan en diseñar una nave-Marte (que se abastecerá en la órbita de aparcamiento Tierra), con capacidad para realizar el viaje de ida, aterrizar en Marte y regresar nuevamente a Tierra. Con una capacidad suficiente para llevar a un número importante de colonos y su equipamiento (carga útil de esa nave la establecemos en 150 Tn + 100 Tn de la propia nave).

La operación la vemos esquematizada en la imagen anterior . Primeramente, se lanzaría un conjunto de naves-Marte robotizadas, que transportan un equipamiento previo y construirían los hábitats para los primeros colonos, así como una industria para fabricar el propelente necesario (técnica IRSU, In-Situ Resource Utilization) para los viajes de vuelta, posteriormente se lanzarían las naves con colonos y otras con equipamiento.

Para realizar el viaje y aterrizar en Marte desde orbita aparcamiento Tierra, se necesitarán unas 1.200 Tn de propelente. Para completar esta nave-Marte, se tendrán que realizar al menos 5 viajes de nave-Tierra y para regresar a Tierra necesitaremos producir unas 1.000 Tn de propelente en superficie Marte (dado que la carga útil de regreso será inferior). En resumen, podemos decir que para tener 150 Tn en superficie Marte, gastaremos 18.500 Tn de propelente, es decir necesitamos 120 Tn propelente / 1 Tn carga útil en Marte y la duración total del viaje está en el entorno de los 7 meses.

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Nuestra Propuesta.

La principal diferencia de nuestra propuesta es que, en la anterior se definía nave-Marte como una nave de ida, aterrizaje en Marte y vuelta a Tierra. Nosotros proponemos que esa nave sea un hábitat-Marte completo, que trasladaríamos a Marte y se quedaría en su superficie. Este hábitat no solo se diseñará como vivienda permanente en Marte, sino que al menos el 50% de su volumen se destinara a sistemas de producción y fabricación, de tal manera que en el mismo instante de su llegada a Marte los colonos pueden vivir, producir su propio alimento y fabricar los recursos necesarios para su supervivencia.

Otra diferencia que planteamos es que, la nave que realice la etapa espacio sea una nave-espacio diseñada para viajar solo por el espacio, de tal manera que puede ser todo lo grande que queramos y tener un sistema de propulsión optimizado para ese viaje, utilizando una propulsión iónica (tipo VASIMR ), que se caracterizan por tener un elevado I_sp que reduciría considerablemente el propelente utilizado y el tiempo de viaje hacia Marte. Esta nave-espacio servirá como medio de transporte simultaneo para varios de nuestros hábitat-Marte.

Por último, proponemos que en la estación Marte se acoplen a nuestro hábitat-Marte, al menos 3 impulsores (boosters) que permitirán a nuestro hábitat aterrizar en Marte. Estos impulsores se cargan de propelente en el planeta y regresan a la estación. Se diseñarán con un sistema de propulsión de respiración atmosférica y propelente (Co₂-Mg) optimizado para trabajar en la atmosfera de Marte, teniendo en cuenta que en la atmosfera de Marte hay un 95% de Co₂ y en su superficie grandes cantidades de magnesio.

Hemos desarrollado un diseño conceptual de nuestra propuesta de hábitat-Marte, con capacidad para 50 colonos, dando una importancia considerable a la “seguridad y comodidad de los colonos”.

Diseño:

Para ello diseñamos el casco de la nave rodeada de un conjunto de 90 cilindros metálicos de un ø 40 Cm, la función de los mismos es la de acumular oxígeno, agua, nutrientes y algunos de ellos serán fotobiorreactores para la producción de algas (este es un punto crucial en la colonización, ya que las algas además de transformar el Co₂ en O₂, nos proporciona alimento y una biomasa fundamental para la obtención a través de bio-refinerías de muchas de las materias primas industriales que necesitara la colonia), además cumplen la función de aislar térmicamente el hábitat y proteger de la peligrosa radiación que existe en la superficie de Marte.

En la parte superior del hábitat habilitaremos una cúpula transparente de unos 2 m de altura, para tener una buena plataforma de observación del planeta y sobre todo de su espectacular cielo nocturno, justo debajo de la cúpula se instalará un centro de mando y control del hábitat.

La siguiente sección será la zona habitacional, hemos calculado una superficie de 23 m² por colono entre espacio individual y común, cada colono dispondrá de un camarote de 12 m² y acceso a un conjunto amplio de zonas comunes, cocina, comedor, spa, gimnasio, zona de ocio, sala de proyección, entre otros elementos.

La zona inferior del hábitat estará dedicada a la producción de alimentos (hortícolas, fruta, cría de pollos, conejos, industria agroalimentaria), calculamos que la colonia se podría autoabastecer de alimentos dedicando uno de cada 4 hábitat a tal cometido, el resto de hábitat se especializaran en hospital, escuelas, industria, mantenimiento, textil y todo lo necesario para que una colonia en sus primeros años pueda ser autosuficiente. Calculamos que para estas tareas en cada hábitat trabajara 1/3 de la población, el resto se empleara en explorar el planeta, investigación y desarrollo, creación de infraestructuras para nuevas colonias, etc.

Operación:

Para realizar el viaje y aterrizar en Marte desde orbita aparcamiento Tierra, nuestra propuesta necesitara unas 120 Tn de propelente para la nave-espacio que, al utilizar un propulsor iónico, necesita un 10% de propelente que uno químico. Para completar esta nave-espacio, se tendrán que realizar al menos 1,5 viajes del cohete-Tierra y para que la nave-espacio regrese a Tierra necesitaremos unas 100 Tn de propelente (dado que la carga útil de regreso será inferior), nuestro hábitat aterriza en Marte con los impulsores añadidos en la estación-Marte y con propelente (Co₂-Mg) producido en Marte. Al aterrizar, estos impulsores se desprenderán del hábitat, se cargarán de combustible y regresarán a la estación-Marte para ser utilizados nuevamente.

En alguna situación estos impulsores se quedarán acoplados al hábitat, estas situaciones serán interesantes para tener un sistema de evacuación de emergencia o también para cambiar de ubicación dentro del planeta, imaginemos que se descubre una beta de mineral a 3.000 Km de nuestra base, es imposible comunicarnos con ellos por aire o tierra, lo aconsejable será que ciertos hábitats se desplacen a esa posición con todo lo necesario para crear una nueva colonia minera.

En resumen, podemos decir que para tener 250 Tn (carga útil + masa del hábitat) en superficie Marte, gastaremos 5.250 Tn de propelente, es decir necesitamos 21 Tn propelente / 1 Tn carga útil en Marte y estimamos que la duración de la misión este por debajo de los 3 meses. Con nuestra propuesta necesitamos 6 veces menos de propelente y casi la mitad del tiempo.

Ventajas:

• Las ya comentadas, ahorros de 5/6 en propelente y 1/2 en duración del viaje.
• Diseño del sistema de propulsión y propelente óptimo para cada etapa del viaje con sus condiciones específicas, atmosfera Tierra, espacio o atmosfera Marte.
• El hábitat-Marte es tecnológicamente independiente del sistema de transporte y puede ser diseñado y fabricado por cualquier país o empresa, en función de unos protocolos y normas estandarizadas.
• El hábitat puede ser una unidad especializada, hospital, centro de enseñanza, fábrica de propelente, central energía, producción alimentos, etc.
• Al construir la totalidad del hábitat en Tierra, ahorramos un considerable número de valiosísimas horas de trabajo en Marte.
• Nuestro propio hábitat sirve como nave de evacuación en caso de emergencia.
• Es posible mover parte de nuestra colonia a otras ubicaciones de una manera muy sencilla y rápida.