El ascensor espacial
Daniel Martín Reina
Ilustración: Raúl Cruz
Una manera de establecer observatorios espaciales a gran altitud, reabastecer de energía o materiales a los satélites y lanzar naves espaciales hacia los planetas exteriores.
El 31 de marzo de 1889 se inauguró en París una fabulosa torre construida como entrada a la Exposición Universal que se iba a celebrar ese mismo año en la capital francesa. La Torre Eiffel —llamada así en honor al ingeniero que la diseñó, Gustave Eiffel—, causó sensación con sus 324 metros, que la convertían en el edificio más alto del mundo. Su fama se extendió por todo el planeta y llegó hasta Kaluga, pequeña población situada a unos 200 kilómetros de Moscú.
Allí trabajaba Konstantin Tsiolkovsky, un humilde profesor de provincia que, sin embargo, tenía unas ideas muy avanzadas sobre aeronáutica y exploración espacial. En 1895, inspirado por el colosal esqueleto de hierro de la torre Eiffel, Tsiolkovsky tuvo una visión. Se imaginó una estructura similar, pero construida en algún punto del ecuador y mucho más alta: ¡nada menos que con 35 786 kilómetros de altura! El científico ruso calculó que, con ese tamaño, la cima de la torre se encontraría en órbita geoestacionaria. Cuando un cuerpo gira alrededor de la Tierra, existe una estrecha relación entre la altitud de la órbita y el tiempo que tarda en darle una vuelta al planeta: cuanto mayor es la altitud, menor es la velocidad que se necesita para mantenerse en órbita y mayor es el periodo. De todas las posibles órbitas terrestres, la órbita geoestacionaria es aquella en que el objeto tarda exactamente 24 horas en dar una vuelta a nuestro planeta. Como la superficie terrestre también tarda ese tiempo en completar un giro, Tsiolkovsky se dio cuenta que un objeto en órbita geoestacionaria se hallaría siempre sobre el mismo punto de la Tierra. (Ésa es justamente la altura a la que se sitúan hoy en día algunos satélites de telecomunicaciones; por eso las antenas de televisión por satélite apuntan siempre al mismo lugar del cielo.)
Al estar la cima de la torre en órbita geoestacionaria, habría otra consecuencia muy interesante: si se soltara cualquier objeto desde ahí arriba, nunca caería al suelo, sino que se quedaría flotando en reposo con respecto a la torre. Claro que en realidad no estaría quieto, ya que se estaría moviendo a más de 11 000 kilómetros por hora para poder completar una vuelta alrededor de la Tierra en un día.
La idea de Tsiolkovsky nunca se pudo llevar a cabo y no pasó de ser un curioso "experimento mental", pero al menos ha servido de inspiración para uno de los proyectos más fascinantes de la actualidad: el llamado ascensor espacial.
La alternativa de Artsutanov
El principal inconveniente de la llamada torre de Tsiolkovsky era que ni siquiera el mejor de los aceros podría soportar su propio peso apoyado en el suelo. Semejante estructura se vendría abajo al alcanzar apenas un kilómetro de altura. Esto nos dejaría a 35 785 kilómetros del objetivo, lo cual resultaría bastante descorazonador.
Ante este panorama, la idea de Tsiolkovsky se abandonó durante más de medio siglo hasta que otro ruso, Yuri N. Artsutanov, planteó en 1959 una alternativa: si un objeto en órbita geoestacionaria podría permanecer fijo con respecto a un punto de la superficie terrestre, ¿por qué no tirar un cable desde ahí arriba hasta la superficie de nuestro planeta y construir así un ascensor que uniera la Tierra con el espacio?
La propuesta detallada de Artsutanov era la siguiente. En primer lugar, se pondría un satélite en órbita geoestacionaria. Desde ese satélite se empezarían a construir, no uno, sino dos cables en sentidos opuestos: uno hacia el suelo y otro hacia el espacio exterior. El cable que bajase hacia el suelo podría quedar colgando del satélite, aunque sería mejor anclarlo al suelo por seguridad. Por su parte, el cable que se alejase de la Tierra tendría en su extremo un contrapeso; por ejemplo, una estructura artificial o incluso un pequeño asteroide capturado para ello.
¿Por qué era necesario el contrapeso? Si simplemente dejáramos caer el cable desde el satélite hasta la superficie terrestre, el peso de los miles y miles de kilómetros de cable rompería el equilibrio que mantendría al satélite en órbita geoestacionaria. Las consecuencias serían dramáticas: el satélite empezaría a girar alrededor de la Tierra en órbitas cada vez más pequeñas hasta que acabara chocando con nuestro planeta. El otro cable y el contrapeso servirían para compensar la masa del cable largo y mantener el equilibrio del sistema. El satélite seguiría moviéndose en órbita geoestacionaria.
El profeta de la astronáutica
Si alguien contribuyó a hacer realidad los viajes espaciales, fue Konstantin Eduardóvich Tsiolkovski. Nacido en 1857 en la localidad rusa de Izhevskoie, Tsiolkovski fue un visionario de la astronáutica que desarrolló muchas de las técnicas y principios que todavía se aplican hoy. Fue el primero en plantearse seriamente un viaje espacial. Construyó una centrifugadora en su casa y utilizó gallinas para comprobar los efectos de la aceleración sobre su organismo. De sus experimentos concluyó que para escapar de la gravedad terrestre no sería recomendable una violenta aceleración instantánea, puesto que la fuerza resultante aplastaría literalmente a los tripulantes contra el suelo de la nave.
Según Tsiolkovski, la solución consistiría en un cohete con un "motor a reacción", que generaría una aceleración pequeña pero constante. De esta manera se alcanzarían las velocidades necesarias para mantener una nave en órbita o que incluso pudiera escaparse de la Tierra y viajar por el espacio exterior. Pronosticó que se precisarían combustibles líquidos (hidrógeno y oxígeno, tal y como se utiliza hoy), ya que la pólvora sólo entraba en combustión al reaccionar con el oxígeno de la atmósfera. También dedujo una fórmula para calcular la masa de combustible necesaria para alcanzar una órbita determinada. Esta ecuación fundamental se conoce hoy como ecuación del cohete de Tsiolkovski. Como la cantidad de combustible era tremenda, se dio cuenta que un cohete de varias etapas resultaría más eficaz que el de una sola etapa. De esta manera, según consumiera su combustible cada una de las etapas, se dejaría caer para disminuir la masa del resto. Además, comprendió que las aletas deflectoras, utilizadas para desviar la salida de gases, permitirían controlar la trayectoria del cohete en el vacío. A todas estas conclusiones llegó años (en algunos casos, incluso décadas) antes de que los hermanos Wright realizaran el primer vuelo mecánico en la historia, en la primera década del siglo XX (ver ¿Cómo ves? No. 61).
En 1911, Tsiolkovsky afirmó que "la Tierra es la cuna de la humanidad, pero no podemos vivir para siempre en una cuna". Cien años después, las palabras del genial científico ruso siguen siendo las de un adelantado, no sólo a su época, sino también a la nuestra.
Dos grandes retos
Al principio, la idea de Artsutanov pasó completamente inadvertida. Sin embargo, al correr de los años, la posibilidad del ascensor espacial tal y como la había planteado el investigador empezó a abrirse paso entre la comunidad científica.
A grandes rasgos, había dos enormes obstáculos que se interponían en el camino del ascensor espacial. El primero, y el más delicado, era elegir el material del cable. Como te puedes imaginar, construir un cable de decenas de miles de kilómetros es muy complicado debido a las terribles tensiones que debería soportar. Por ejemplo, un cable de kilómetros, un gran avance con respecto a la torre de Tsiolkovsky, pero absolutamente insuficiente para alcanzar la órbita geoestacionaria.
Si se quiere conseguir un cable de semejante tamaño, el material debería ser mucho más resistente que el acero y, al mismo tiempo, tan ligero como una pluma. En la naturaleza no se ha encontrado nada así hasta ahora. Pero en los últimos años, los científicos han conseguido desarrollar en el laboratorio un material que cumple, en teoría, con estos requisitos: son los llamados nanotubos de carbono. Se calcula que este material podría resistir unos 5 000 kilómetros, y se piensa que dentro de poco podrían fabricarse nanotubos con tres veces más resistencia. El problema es que aún son muy caros y sólo se han producido muestras de unos pocos centímetros de longitud.
El otro punto delicado es la manera de suministrar energía al ascensor para que suba y baje. Los cohetes espaciales deben llevar a cuestas todo el combustible que van a consumir, lo que aumenta mucho su peso. En este sentido, el ascensor espacial, como cualquier ascensor, tendría una gran ventaja: al tener un recorrido fijo de ida y vuelta, no es necesario que la fuente de energía de la cabina se encuentre en la propia cabina. Podría quedarse en Tierra y luego dirigir la energía hasta la cabina, lo que reduciría enormemente el peso del ascensor.
Los científicos han propuesto diversas maneras de lograr esto. Una posibilidad sería utilizar un potente láser desde la base terrestre que apuntara al ascensor. Éste tendría en la parte inferior paneles fotovoltaicos para recoger la energía del láser, convertirla en electricidad y utilizarla para desplazarse por el cable. También se podría enviar la energía eléctrica a la cabina a través del propio cable, aunque para esto serían necesarios materiales superconductores; es decir, materiales que apenas presentan resistencia al paso de la corriente eléctrica a temperaturas suficientemente altas (los superconductores típicos trabajan a temperaturas muy bajas, cercanas a -273º C) y que al mismo tiempo fueran extremadamente ligeros. Hasta la fecha, la opción del láser es la que se considera más viable.
Un concurso muy especial
Con la idea de estimular nuevas investigaciones que nos acerquen al sueño del ascensor espacial, durante los últimos años se han celebrado diversas ediciones de la llamada Competencia del Ascensor Espacial. Se trata de un concurso patrocinado por la NASA con dos modalidades: una centrada en la resistencia del cable y otra dedicada a la fuente de energía del elevador. Las reglas son muy sencillas. En el primer caso, los equipos participantes presentan muestras de su cable, las cuales se someten a un tremendo esfuerzo mecánico hasta que se rompen. En el segundo, los equipos construyen robots escaladores que pueden trepar por un cable vertical. El desafío consiste aquí en transmitir de forma inalámbrica la energía al escalador.
En la última edición de 2009, los robots escaladores debían trepar a más de dos metros por segundo por un cable de 1 000 metros de altura sostenido por un helicóptero. El que llegara más rápido se llevaría la nada despreciable cifra de 900 000 dólares. Si alguno de los competidores superaba los 5 m/s en la ascensión, recibiría un jugoso premio adicional de 1 100 000 dólares. El ganador de esta edición consiguió recorrer el kilómetro en tres minutos y 48 segundos, lo que supone una velocidad de 3.95 m/s, insuficiente para llevarse el premio gordo. Teniendo en cuenta que la competencia anterior, celebrada en 2007, consistía en subir por un cable de apenas 100 metros y ninguno de los participantes lo logró, el avance es más que evidente.
No se puede decir lo mismo de la modalidad del cable. Tres equipos partiÓrbita ciparon en la última edición con un total de seis muestras diferentes. Para ganar el premio había que superar al menos en 50% la resistencia del mejor material comercialmente disponible entonces, el llamado Spectra, un compuesto de fibra que es 10 veces más resistente que el acero. Sin embargo, al someterse a la prueba de estiramiento, ninguna de las muestras lo superó y el premio quedó desierto. Puede que en el caso del cable no estemos progresando tan rápido como nos gustaría.
El versátil carbono
El carbono es uno de los elementos más importantes que existen. No sólo resulta básico para la vida, sino que es el cuarto átomo más abundante del Universo —después del hidrógeno, el helio y el oxígeno—. Esto se debe a que tiene una capacidad de combinación inigualable: puede formar más de 10 millones de compuestos distintos, entre ellos el diamante y el grafito.
Además de la infinidad de sustancias naturales que existen, los científicos han conseguido en los últimos años crear de forma artificial otros compuestos de carbono con propiedades extraordinarias. El grafeno, por ejemplo, es una lámina compuesta por átomos de carbono unidos entre sí en forma de "panal de abejas". Sus características son asombrosas: conduce la electricidad tan bien como el cobre y hace lo propio con el calor mejor que cualquier otro material conocido. Su uso en la electrónica podría revolucionar la tecnología actual; entre otras cosas, los transistores de grafeno serían más rápidos que los actuales de silicio, con lo que se podrían fabricar computadoras todavía más potentes.
Si enrollamos una lámina de grafeno en forma de cilindro, el resultado es lo que se conoce como un nanotubo de carbono. Éstos fueron descritos de forma teórica por primera vez en la década de 1950, aunque nadie les prestó mucha atención hasta que se empezaron a descubrir sus propiedades, a principios de la década de 1990. La disposición de sus átomos de carbono es tal que otorgan a su estructura una consistencia asombrosa: los nanotubos de carbono son los "hilos" más resistentes que se conocen. Son capaces de soportar tensiones 30 veces mayores que el acero, a pesar de que son unas seis veces menos densos. Sólo hay un inconveniente que impide que hoy estemos rodeados de estas estructuras: su precio. En el 2 000 costaba unos $1 500 dólares por gramo, aunque en los últimos años diversas empresas químicas han empezado a producirlos a gran escala. En la actualidad ha llegado a bajar hasta unos $150 dólares por gramo, lo que todavía resulta tres veces más caro que el oro. Los expertos confían en que su precio siga cayendo en los próximos años, a medida que se profundice en su conocimiento y se abaraten las técnicas de producción. De ello dependen buena parte de nuestras esperanzas para la construcción de un ascensor espacial.
A bordo de un ascensor espacial
Además de los anteriores, hay otros muchos desafíos por superar para construir un ascensor espacial viable. Uno de ellos sería la radiación ionizante que recibirían los tripulantes al atravesar el cinturón de Van Allen, dos anillos concéntricos de partículas cargadas atrapadas por el campo magnético de la Tierra. Una forma de protegerse sería generando campos magnéticos alrededor del ascensor, aunque habría que estudiar de dónde obtener la energía necesaria para crearlos. Otro de los problemas son los meteoritos y satélites artificiales que andan por ahí afuera. Para evitar un posible impacto podría anclarse el ascensor espacial a una plataforma móvil en medio del océano, de forma que tuviese cierto margen de maniobra.
Mientras los científicos consiguen solventar estas dificultades técnicas, nosotros podemos dar un salto en el tiempo e imaginarnos cómo sería eso de viajar en un ascensor espacial. Para empezar, el despegue sería mucho más suave y seguro que el de un cohete tradicional. No habría aceleraciones bruscas, ni ruidos ensordecedores ni nada parecido, y la dramática cuenta regresiva sería cosa del pasado.
Una vez en marcha, el ascensor espacial no necesitaría grandes velocidades para alcanzar su objetivo. A la modesta velocidad de 200 km/h se completarían los 35 785 km en poco más de una semana. Para entretener a los viajeros y amenizar el viaje se podrían fabricar grandes estructuras con todo tipo de comodidades: salas de lectura, salones de juegos y ventanales con una vista sencillamente incomparable. Sería algo parecido a un plácido crucero, pero en el espacio.
Desde luego, el turismo no sería la única utilidad del ascensor espacial. Se podrían trasladar al espacio grandes cantidades de residuos de una forma mucho más barata y segura que hoy. También serviría para establecer observatorios espaciales a gran altitud, reabastecer de energía o materiales a los satélites y lanzar naves espaciales hacia los planetas exteriores. Sin duda, el ascensor espacial supondría un punto de inflexión en la historia de la exploración espacial.
Poco antes de morir, en marzo de 2008, Sir Arthur C. Clarke, el primer escritor en incorporar el ascensor espacial a la ciencia ficción en su novela Las fuentes del paraíso (1969), predijo que el aparato se construiría "unos 10 años después de que todos dejen de reírse". En los últimos tiempos, los programas de las agencias espaciales, en especial la NASA, ha atraído la atención del gran público. Se ha hablado del ascensor espacial en la televisión, la radio y los periódicos de todo el mundo. Es probable que todavía quede algún escéptico que dude de su viabilidad. Pero eso seguramente cambiará cuando se encuentre el material apropiado para el cable, dentro de cinco o 10 años, según los expertos. En ese momento, de acuerdo con las palabras de Clarke, la cuenta regresiva habrá empezado.
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Daniel Martín Reina, frecuente colaborador de ¿Cómo ves?, egresó de la carrera Ciencias Físicas de la Universidad de Sevilla, España.
