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El sistema solar es un lugar mucho más grande de lo que parece y contiene muchos más objetos de los que podríamos imaginar, entre ellos podemos destacar:

• Planetas (8).
• Planetas enanos (7).
• Satélites (205 + 11).
• Asteroides (≈959.000) principalmente entre Marte y Júpiter.
• Troyanos (≈4.000) situados en los puntos de Lagrange de Júpiter.
• Centauros (entre 44.000 y 10.000.000) principalmente entre Júpiter y Neptuno.
• Cometas (entre 1 billón y 10 billones) fuera de la órbita de Neptuno en el cinturón de Kuiper y en el límite del sistema solar en la llamada nube de Oort .
• Y por último el polvo cósmico.

Si hablamos de distancias, la órbita de la Tierra tiene un diámetro de 1 UA, la de Plutón 60 UA o bien 8,33 Horas-luz[1] , el cinturón de Kuiper tiene un diámetro de 100 UA y la nube de Oort puede llegar a las 50.000 UA, prácticamente 1 Año-luz.

En la imagen podemos ver un diagrama esquemático de la zona más exterior del sistema.

Este es el inmenso escenario en distancias y objetos, al que se va a enfrentar la humanidad, si quiere emprender la apasionante aventura de viajar por el espacio en las próximas décadas o siglos, pero empecemos por lo más “fácil y cercano”, la colonización de Marte.

[1] Hora-Luz: = 1.080.000.000 Km, 1 UA (Unidad Astronómica = 149.597.870.700 Km), es decir 1 UA = 0,139 Horas-luz.

Marte (dejando al lado a nuestra compañera la Luna) es sin duda el mejor candidato para ser colonizado y poder establecer en él, una sociedad independiente de varios millones de personas. Está relativamente cercano, la menor distancia se produce cuando los dos planetas están en oposición y esa distancia puede bajar de los 60 millones de Kilómetros, tiene 1/3 de la gravedad terrestre, sin embargo presenta importantes retos, una atmosfera con una densidad del 1% de la Tierra, sin apenas oxígeno, no tiene campo magnético que nos proteja de los rayos cósmicos ni del viento solar, las temperaturas y los vientos son extremos, el agua es escaso y no se presenta en estado líquido debido a la presión atmosférica y no dispone de una fuente de energía clara que podamos usar.

Para poder hacer frente a todos los retos que se nos presentan, la investigación de la búsqueda de recursos en Marte se basa en los datos enviados por sondas ya muertas, de los seis satélites operativos actualmente [Mars Odyssey (NASA), Mars Express Orbiter (ESA), Mars Reconnaissance Orbiter (NASA), Mars Orbiter Mission (ISRO), Mars MAVEN (NASA) y ExoMars TGO(ESA)], de las sondas sobre superficie [InSight (NASA) y Curiosity (NASA)] y en trayecto tenemos [Perseverance (NASA), Tianwen-1 (CNSA) y Hope Mars Mission (MBRSC)].

Para una colonización exitosa de Marte, los factores críticos a los que debemos enfrentarnos son: (distancia, energía, agua, oxigeno e inputs terrestres).

Distancia.

Podemos denominar etapa espacio, a la parte del viaje entre una supuesta órbita aparcamiento Tierra (LEO) y una órbita aparcamiento Marte (LMO), en primera aproximación las necesidades energéticas de esta etapa se aproximan a (∆v = 5,00 Km/s), la duración se medirá en meses y la fuerza dominante será gravedad Sol. Es la parte del viaje que más distancia cubre, la que menos necesidades energéticas tiene y la más duradera. En esta situación, necesitaríamos un propulsor con un impulso especifico (Isp) elevado, para reducir el tiempo de viaje y consumir el menor propelente posible.

Dentro de los sistemas de propulsión que actualmente o en las próximas décadas van a estar disponibles, para cubrir esta etapa, podemos destacar principalmente dos.

• Propulsión química, basada en el empuje que genera un gas caliente producido en una cámara de combustión al ser expulsado, su (Isp) típico está en el entorno de los 350 s o 3.500 m/s (velocidad aproximada a la que salen los gases de combustión) y su empuje en el entorno de los 2 MN, imprescindible para vencer el pozo gravitatorio de la Tierra. Por tanto, para realizar el viaje de ida y vuelta de orbita LEO a LMO (∆v = 10,00 Km/s), utilizando la sencilla ecuación del cohete, concluimos que necesitamos 20 Tn propelente / 1 Tn carga útil en LMO y la duración total del viaje está en el entorno de los 6 meses, actualmente hay proyectos en marcha por parte de la NASA, Space X y la CNSA China.
• Propulsión eléctrica, también denominada motor iónico o de plasma, está basada en impulsar a grandes velocidades un haz de partículas cargadas (iones) utilizando campos magnéticos, se caracteriza por tener un elevado (Isp) por encima de los 3.000 s o 30.000 m/s (velocidad a la que escapan los iones), por contra tiene un empuje muy bajo, en el entorno de los 2 N, inútil para vencer la gravedad de la Tierra y poder sacar objetos desde su superficie. Como en el caso anterior concluimos que teóricamente necesitamos 0,4 Tn propelente / 1 Tn carga útil en LMO, reduce considerablemente el propelente utilizado y el tiempo de viaje hacia Marte.

A la vista de lo anterior el mejor sistema de propulsión (y en las próximas décadas el único) para sacar carga desde la Tierra a LEO es la propulsión química y para realizar un viaje por el espacio la propulsión eléctrica. Parece razonable pensar, que sería muy eficiente diseñar una nave-espacio optimizada para viajar «solo» por el espacio, de tal manera que puede ser todo lo grande que queramos (ensamblándola en órbita), su forma es irrelevante al desaparecer las fuerzas de rozamiento y tener un sistema de propulsión optimizado para esa parte del viaje.

Un propulsor eléctrico o motor iónico[2], no requiere quemar nada, usa solo electricidad de cualquier fuente (pongamos nuclear) y un haz de iones para la propulsión (moléculas o átomos con carga eléctrica, como el xenón con un alto número atómico = 54). El método preciso para acelerar los iones puede variar (de ahí los diferentes tipos de motores iónicos que encontramos en la bibliografía), pero todos los diseños usan la ventaja de la relación carga-masa de los iones para ser acelerarlos por un campo magnético. Gracias a esto, los propulsores iónicos pueden alcanzar un (Isp) alto, reduciendo la cantidad de masa (propelente) necesaria, pero incrementando la cantidad de potencia (eléctrica) comparada con los cohetes convencionales, debido a la relación potencia-masa de los sistemas disponibles hoy en día.

Hay varios tipos de motores iónicos, algunos están en desarrollo y otros han sido utilizados desde hace décadas[3]. Los tipos más desarrollados son: (Propulsor coloidal, Propulsor iónico electrostático, FEEP, Propulsor a efecto Hall (HET), Propulsor helicoidal de doble capa (HDLT), Propulsor inductivo pulsante (PIT), Propulsor magneto plasma dinámico (MPD), Motor de magneto plasma de impulso específico variable (VASIMR), entre los más destacados. Se pueden analizar sus características y diferencias consultando Wikipedia u otras fuentes.

[2] Motor Iónico: El principio del propulsor iónico data de los conceptos desarrollados por el físico Hermann Oberth y su obra publicada en 1.929, “Die Rakete zu den Planetenräumen”.

[3] La primera nave espacial que utilizó esta tecnología fue la SERT I, fabricada en el Space Electric Rocket Test, y lanzada el 20 de julio de 1.964.

La velocidad de salida (vi) de un ion de masa (mi) cuando es acelerado dentro de un campo eléctrico, puede ser calculada en función de la carga del ion (q) y de la diferencia de potencial (V) entre los electrodos, a su vez esta velocidad está relacionada con el impulso especifico (Isc), según las siguientes fórmulas.

Otro factor importante es la cantidad de energía o potencia necesaria para hacer funcionar el propulsor, una parte pequeña se utiliza en la ionización (Pi) de las partículas (se calcula multiplicando el número de partículas expulsadas (N) por la energía de ionización (E+) de cada partícula) y el resto en acelerar los iones (Pa) a velocidades muy altas (representando la energía cinética de los iones expulsados por segundo).

De las fórmulas anteriores podemos deducir, que el consumo de energía en acelerar los iones (Pa) es proporcional a la velocidad de salida de los gases al cuadrado. Por otro lado, el empuje (F) solo es proporcional a la velocidad de salida, siendo (C) el consumo de combustible por unidad de tiempo. Como resultado, el empuje total obtenido a partir de cierta cantidad de energía (Pa) es inversamente proporcional a la velocidad de salida de los gases. Por tanto, para aumentar la cantidad de movimiento de salida de los iones en 10 veces (es decir su velocidad), se necesitaría gastar 100 veces más en energía.

En consecuencia, existe un compromiso entre el impulso específico y el empuje, siendo ambos inversamente proporcionales a una cierta cantidad de energía, a su vez la cantidad de movimiento es proporcional a la masa de la partícula utilizada, por tanto, es interesante utilizar átomos o moléculas con un alto peso atómico. Con este conjunto de sencillas formulas y la famosa ecuación del cohete, podemos hacernos una idea aproximada de las características físicas de la nave y del viaje.

En un motor eléctrico los parámetros de diseño inicial vienen determinados por: el tipo de partícula a utilizar, con ello fijamos (mi, q y E+), por la diferencia de potencial (V) entre los electrodos de aceleración y con la cantidad de combustible consumido por unidad de tiempo (C), que está en relación con el tamaño del motor o con el número de motores que acoplemos. A partir de estos parámetros y con las ecuaciones anteriores podemos obtener todas las características de la nave-espacio (Pa, Pi, Isc, F, duración del propelente y duración del viaje).

Propuesta de nave-espacio.

Si recordamos en una entrada anterior de nuestro Blog «Podemos y debemos colonizar Marte» partía del diseño de un hábitat-Marte, con capacidad para 50 colonos, que trasladábamos a Marte y se quedaba en su superficie, 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.

Estos hábitats se trasladaban a Marte en una nave-espacio, ya en Marte se acoplarían al menos 3 impulsores (boosters) que permitirán a nuestro hábitat aterrizar en Marte.

Pasemos ahora a describir la funcionalidad del concepto nave-espacio que proponemos, como ya hemos comentado su forma y tamaño son irrelevantes, por este motivo la diseñamos lo suficientemente grande como para trasladar una mini colonia autosuficiente en un único viaje, definiendo esta como una comunidad de 1.000 personas, para ello necesitaremos trasladar al menos 20 hábitat-Marte.

La nave se diseña de forma modular, de tal forma que en un momento determinado sea sencillo separarla en sus módulos constituyentes, estará formada por:

• Módulo de motores iónicos con sus correspondientes depósitos de combustible y con un sistema de generación de energía eléctrica.
• Módulo estación Marte que estará formado por un carrusel que al girar creará una gravedad artificial gracias a la fuerza centrífuga y una instalación fotovoltaica asociada a él, para el consumo de los colonos durante el viaje.
• Módulo de transporte que será simplemente una estructura donde se anclaran los hábitat-Marte y los boosters. Por último.
• Módulo de control.

Haciendo unos números y con el único fin de tener un orden de magnitud del tamaño de la nave, resumimos los parámetros constructivos en la siguiente tabla. Hablamos de una nave con un peso inicial de 17.000 Tn, una potencia eléctrica para los motores iónicos de 250 MW, una potencia eléctrica para operaciones y mantenimiento del sistema vital de 2,5 MW y una longitud total de 370 m con una sección circular máxima de 140 m de diámetro.

Modulo Motor.

Sin duda el módulo más importante de esta nave es el de motores, lo primero es seleccionar la partícula que utilizamos como propelente, a mayor masa atómica, argón Ar (39,95 uma), radón Rn (222 uma),  fullereno C60 (721 uma), se produce una reducción de las necesidades de potencia eléctrica y una reducción en el tamaño de los motores. Sin embargo, vamos a realizar los cálculos con el xenón Xe (131 uma) ya que este es un propelente habitual en los actuales motores iónicos. Jugando un poco con las ecuaciones expuestas anteriormente y teniendo en cuenta que estamos haciendo una simulación muy grosera de la física del viaje, podemos obtener los siguientes parámetros:

Como se desprende de la tabla anterior, conseguir un Isp de 5.000 s está en consonancia con los actuales diseños de motores eléctricos y un empuje de 10.000 N, se haría o bien aumentando considerablemente el tamaño de los motores actuales o bien colocando cientos de motores. Las necesidades de potencia eléctrica para una nave de gran masa (17.000 Tn) ronda los 250 MWe, esta potencia eléctrica no puede ser cubierta por placas fotovoltaicas, ni por baterías, como única alternativa, nos queda la utilización de un reactor nuclear.

Reactor de fisión nuclear.

Actualmente está desarrollándose un tipo de reactor denominado Small Modular Reactor (SMR), basado en diseños de IV generación, de un tamaño y potencia más pequeños que los reactores convencionales (150 MWe frente a 1.500 MWe), con unas características singulares entre las que destacamos:

• Son Inherentemente seguros mediante sistemas de seguridad activa y pasiva (que solo dependen de las leyes físicas).
• Son modulares (se fabricaran en una factoría, reduciendo significativamente los tiempos de puesta en marcha y el coste por vatio instalado).
• Se utiliza un combustible nuclear con tasas de quemado muy altas y ciclos de operación más largos como el nitruro de uranio (U2 N3), algunos combustibles suelen ser incompatibles con los usos no pacíficos de la energía nuclear como el Torio (232Th).
• Se pueden utilizar como reactor reproductor (utilizando el combustible que el propio reactor regenera) con ello, en algunas propuestas se necesita una sola carga de combustible cada 20 años.
• Son flexibles (no dependen de una infraestructura eléctrica previa).
• Son escalables (se pueden conectar varios SMR entre sí).
• Son adaptables (su potencia se puede adaptar a una determinada curva de demanda).
• Son  fiables (reduciendo al mínimo los posibles fallos del reactor).
• Y utilizan nuevos sistemas de refrigeración o intercambiadores de calor diferentes al agua, como sales fundidas o un ciclo Brayton supercrítico de CO2 (S-CO2).

Existen varios de estos SMR que actualmente están en construcción y otros muchos en diseño o concepción, la propuesta es seleccionar 2 SMR de 125 MWe de potencia, utilizados simultáneamente en el viaje de ida, uno estaría asociado permanentemente al módulo de motores y el otro aterrizará en Marte para suministrar energía a la colonia, el viaje de vuelta se realizará solo con un SMR ya que la masa de la nave será muy inferior.

Modulo Estación.

Uno de los grandes problemas en un viaje de varios meses por el espacio, es la ingravidez, por las consecuencias que tiene en el organismo humano. Para evitar esto, proponemos que la nave-espacio incluya un módulo, que diseñamos como un toroide de 70 m de radio, que rote a una velocidad de seis giros por minuto y por efecto de la fuerza centrífuga proporcione una gravedad artificial en la parte interna del toroide, cercana a la de Marte (3,71 m/s2). El anillo está formado por varios cilindros habitables conectados al eje central de la nave a través de unos radios, que sirven como conductos para las personas y materiales que se mueven desde y hacia el eje.

Durante el viaje este módulo servirá para que los colonos pasen cierto tiempo sometidos a la gravedad de Marte, durante otra parte del tiempo pueden estar trabajando en sus correspondientes hábitat, al llegar al destino, este módulo se separara de la nave y quedara orbitando Marte como una estación espacial, que servirá de apoyo a la colonia y a futuras misiones, sus necesidades energéticas estarán cubiertas por una o varias alas fotovoltaicas colocadas entre dos radios, con una superficie en el entorno de los 2.500 m2 y una potencia cada una de 800 KW.

Sistema fotovoltaico.

Para hacernos una idea de cómo sería este sistema, analicemos el sistema principal de energía eléctrica de la Estación Espacial Internacional (ISS), este se empezó a instalar en el 2.000 terminándose en 2.009 y consta de ocho grandes alas fotovoltaicas a las que se denominan SAW (Solar Array Wings), con una potencia total de 120 KW. Durante el 2.021 se solapará al antiguo SAW un nuevo sistema fotovoltaico que consta de seis alas, denominado ISS Roll-Out-Solar-Array (I ROSA) con una potencia total de 120 KW.

En el transcurso de 20 años podemos ver en la tabla adjunta cómo ha evolucionado la tecnología fotovoltaica espacial, las células a base de arseniuro de galio (GaAs) son más del doble de eficientes que las de silicio cristalino (c-Si) y se degradan más lentamente que el silicio en la radiación presente en el espacio. Se ha conseguido que la densidad en peso y superficie aumente en un factor de cinco, dato fundamental cuando pretendemos sacar un objeto al espacio.

Las células utilizadas en I ROSA son las más eficientes actualmente en producción, son células fotovoltaicas de unión múltiple, utilizando una combinación de varias capas de arseniuro de galio, fosfuro de indio y galio y germanio para capturar más energía del espectro solar. Por otro lado, se está trabajando en nuevos diseños basadas en nanotubos de carbono, diseñados para capturar la luz desde cualquier ángulo, otros estudios utilizan materiales como Perovskita, se estudian técnicas de nanotecnología y de concentración, para aumentar rendimientos, o un material de bajo costo de cobre-zinc-estaño-sulfuro (CZTS), junto con otras tecnologías experimentales nos hace pensar que en los próximos años podremos mejorar los parámetros anteriores, llegando a eficiencias cercanas al 40 % y densidades el doble de las actuales.

Si tenemos en cuenta que la cantidad de energía recibida por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera planetaria en un plano perpendicular a los rayos del Sol, se denomina Constante Solar y que su valor es de KT = 1.361 W/m² y KM = 586,3 W/m2 (Marte recibe un 67 % menos que la Tierra). Por otro lado, en el espacio un panel FV recibe más intensidad solar que en Tierra, por efecto de la atmosfera, de los elementos climáticos y del ciclo noche-día. En resumen, durante el viaje la instalación FV puede funcionar 8.760 Hr/año vs 1.600 Hr/año en tierra, la eficiencia total en el espacio es muchísimo mayor (factor 5,5), reduciéndose esta eficiencia a medida que nos acercamos a Marte.

Sistema soporte vital.

Se estima que las necesidades de alimentación de un astronauta en el espacio incluido el peso de los envases es de 2,50 Kg/día, el consumo de agua está en 3,50 L/día, con los actuales sistemas de recuperación podemos recuperar hasta un 80 % de esta agua, el consumo de oxígeno se estima en 0,84 Kg/día, que se podría conseguir mediante electrolisis del agua, necesitando 0,95 L/día, lo que hace unas necesidades finales de agua de 1,64 L/día.

Volviendo a la ISS, el sistema de producción de oxígeno fue diseñado por la NASA y enviado en 2.007. Este sistema recibe el nombre de Oxigen Generation System (OGS) y consiste básicamente en una máquina que, por medio de la electrólisis, el agua se separa en oxígeno e hidrógeno. Para que el proceso sea más efectivo, se usa hidróxido de potasio en una proporción de 30%. Posteriormente el oxígeno se libera a la atmósfera para que sea respirado por los astronautas y el hidrógeno (que es nocivo para los humanos, además de altamente inflamable) no se libera al espacio, como mucha gente piensa, sino que, mediante otra reacción química, la reacción de Sabatier y junto con CO2, se produce agua (H2O) y metano (CH4). El agua entra de nuevo en el circuito de la OGS y el metano sí que se ‘flota’ al espacio.

Modulo Transporte.

Este módulo consta esencialmente de una estructura donde se anclan los hábitat-Marte y los boosters, el diseño de la estructura será tal que sea sencillo el desacople de cada uno de los hábitats para su reentrada en Marte, la estructura está basada en unos tubos de acero de un diámetro no inferior a los 2 m para que sea factible desplazarse por su interior y así poder trasladarse desde los hábitats al eje central de la nave y desde allí a cualquier otra parte de la nave.

Dada su envergadura a esta estructura se podrán acoplar aquellos elementos indispensables del viaje, como sistemas redundantes, depósitos auxiliares, tanto de combustibles, agua y oxígeno, antenas y sistemas de comunicación. Así como diferentes brazos robóticos que realizaran el acople de los boosters a los módulos-hábitat antes de su aterrizaje en Marte, así como los depósitos de combustible para alimentar a estos boosters.

Modulo Control.

Se concibe este módulo con una doble utilidad, en el viaje de ida es el módulo donde se concentra toda la información de la nave, será habitable y empleará un mínimo de personal permanentemente, tendrá su propio sistema vital y en él se albergan los ordenadores de navegación y gestión de la nave.

En el viaje de vuelta, si este se produce automáticamente, el sistema de soporte vital estará desconectado.

Comentario

Latest on Mon, 07:01 pm

rlpo: Mi duda....¿crees que en el futuro se necesitara la tierra (suelo) para producir alimentos?. Me temo que por desgracia lo normal será la "fabrica" y [...]

rlpo: Poco más que añadir a lo dicho por Flavio. Las ilustraciones bárbaras. Rafa

Flavio: Muy buen aporte, extenso y entretenido. electrodomesticos

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