Una sonda espacial para estudiar el objeto interestelar ʻOumuamua | Astronáutica

Una sonda espacial para estudiar el objeto interestelar ʻOumuamua | Astronáutica

El asteroide interestelar ʻOumuamua (1I/2017 U1) ha desatado un enorme partes iguales interés entre la comunidad científica y el gran público a partes iguales. Y es lógico, porque no en vano estamos hablando del primer asteroide interestelar descubierto por la humanidad. A medida que sabemos más detalles de este objeto, las incógnitas se multiplican. Por su espectro parecería haberse formado lejos de su estrella de nacimiento, pero su forma extremadamente alargada sugiere una composición rica en rocas y metales. Lamentablemente poco más podremos averiguar de este visitante. ʻOumuamua se aleja del sistema solar a alta velocidad y nunca volverá. Lo ideal sería lanzar una nave espacial que se acerque lo suficiente como para investigar de cerca este enigmático objeto. ¿Estamos a tiempo?

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Una propuesta de sonda para estudiar el medio inetrestelar que podría alcanzar a ‘Oumuamua (KISS/Caltech).

En una entrada anterior supimos del Proyecto Lirauna iniciativa de la organización británica i4is (Initiative for Interstellar Studies) para estudiar ʻOumuamua mediante una sonda espacial. En realidad, el Proyecto Lira se centraba en si era factible visitar ʻOumuamua con nuestra tecnología y analizaba posibles trayectorias, pero no abordaba los detalles tecnológicos de una misión de este tipo. Entonces, ¿cómo sería una sonda espacial capaz de acercarse a ʻOumuamua? Por suerte conocemos la respuesta. Y no, no es que se hayan diseñado sondas espaciales para alcanzar posibles objetos interestelares que pasen por el sistema solar —todavía no hemos alcanzado el estado de desarrollo de la novela Cita con Rama—, pero sí que se han propuesto misiones para estudiar el medio interestelar más allá de la heliopausa. O sea, sondas interestelares.

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Posible aspecto de ‘Oumuamua según los datos del telescopio VLT (ESO/M. Kornmesser).

Estas sondas tienen en común una característica: deben alcanzar altas velocidades de escape para llegar a su objetivo en unos pocos lustros o décadas. Y eso es justo lo que necesitamos para llevar a cabo una cita con ʻOumuamua. Empecemos por recordar las dificultades del problema. ʻOumuamua se aleja del sistema solar a más de treinta kilómetros por segundo. En mayo de 2018 ya habrá superado la órbita de Júpiter, aunque su velocidad se irá reduciendo paulatinamente hasta alcanzar una velocidad de exceso hiperbólica de 26 km/s. Evidentemente, debemos lanzar nuestra sonda a una velocidad superior si queremos darle caza y siempre deberemos tener en cuenta que la cifra clave no es la velocidad inicial de salida, sino la velocidad de exceso de la que hablábamos. Como es obvio, cuanta mayor sea esta velocidad, antes llegaremos a ʻOumuamua.

Trayectoria de 'Oumuamua (Meech et al.).
Trayectoria de ‘Oumuamua (Meech et al.).

El análisis del Proyecto Lira señalaba que la sonda debería moverse entre 33 y 76 km/s para llegar a ʻOumuamua entre cinco y treinta años. ¿Es posible alcanzar esta velocidad? La sonda Voyager 1, el objeto humano que se aleja del sistema solar a mayor velocidad, se mueve a 16,6 km/s, una cifra que alcanzó tras dos maniobras de asistencia gravitatoria con Júpiter y Saturno. Esta velocidad es claramente insuficiente para llegar a ʻOumuamua. ¿Qué hacemos?

Hay varias opciones. Se pueden usar sistemas de propulsión más eficientes y exóticos o maniobras de asistencia gravitatoria más energéticas. O ambas cosas, claro (lamentablemente, si queremos usar la gravedad de los cuatro planetas gigantes como la Voyager 2 deberemos esperar a 2145, así que esta opción queda descartada). Pero vayamos al grano: todos los conceptos de sondas interestelares que emplean tecnología actual se pueden clasificar en dos tipos. Por un lado tenemos propuestas que pasan muy cerca del Sol para aprovechar el campo gravitatorio de la mayor masa que tenemos disponible en el sistema solar. El otro tipo está formado por aquellas sondas que usan una maniobra de asistencia gravitatoria con Júpiter y además aplican propulsión eléctrica (solar o nuclear) para acelerar la nave.

Símbolo del Proyecto Lira (i4is).
Emblema del Proyecto Lira (i4is).

Si buscamos detalles, el Instituto Keck para Estudios Espaciales, KISS, abordó recientemente en un informe el problema de construir una sonda interestelar con la tecnología disponible hoy en día. Es lo más parecido a una sonda para interceptar a ʻOumuamua que tenemos. En este informe se demostraba que era perfectamente posible alcanzar velocidades de escape del orden de 60 km/s sin necesidad de emplear tecnologías exóticas. El estudio de KISS se decanta por la opción del sobrevuelo del Sol como la más eficiente. Afortunadamente esta opción es la única adecuada para perseguir a ʻOumuamua, ya que es posible alcanzar cualquier inclinación con respecto a la eclíptica gracias a la gravedad solar (si usamos Júpiter el rango de inclinaciones en una trayectoria de escape es más limitado).

Pero, paradójicamente, para alcanzar el Sol primero es necesario alejarse de él. La razón es que ir directamente al centro del pozo gravitatorio solar requiere un gasto energético prohibitivo. Lo ideal es viajar primero a Júpiter y usar la enorme gravedad de este planeta para reducir nuestra velocidad y poder pasar muy cerca del Sol, algo parecido, pero menos dramático, a lo que hizo la sonda europea Ulises en los años 90. El principal escollo de esta arquitectura es que cuanto más nos acerquemos al Sol más eficiente será la maniobra, pero evidentemente este requisito hace necesario introducir un escudo térmico para evitar que la nave se vaporice.

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Trayectoria de una sonda para viajar fuera del sistema solar. Primero realizaría una maniobra propulsada de espacio profundo (DSM), luego un sobrevuelo de la Tierra, otro de Júpiter y, finalmente, el solar (KISS).
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Velocidad de exceso hiperbólica en UA/año en función de la proximidad al Sol y la maniobra propulsiva de perihelio (KISS).

La propuesta de KISS consiste en una sonda de 544 kg dotada de dos generadores de radioisótopos de tipo eMMRTG para proporcionar energía eléctrica. La sonda iría acoplada a dos etapas propulsoras, por lo que la masa al lanzamiento del conjunto sería de casi 17 toneladas. Lanzar una sonda tan pesada en una trayectoria de escape terrestre es imposible con un lanzador normal, así que sería necesario usar un lanzador pesado. El estudio de KISS cuenta con el uso de un cohete SLS Block 2 de la NASA. Esta versión, con capacidad en órbita baja de unas 130 toneladas, estará disponible con suerte a finales de la próxima década. Evidentemente, también podría usar el cohete gigante BFR propuesto por SpaceX.

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Configuración de lanzamiento de la sonda con las dos etapas propulsoras (KISS).
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Detalle de la sonda propiamente dicha (KISS).

Un año después del lanzamiento la sonda usaría la primera etapa de combustible líquido para realizar una maniobra de espacio profundo con una Delta-V de 0,4 km/s. La aceleración sería mínima, pero permitiría ajustar la órbita de cara a un sobrevuelo de la Tierra que catapultaría a la nave hacia Júpiter y, por extensión, alcanzar la máxima velocidad hiperbólica de escape posible. Tras sobrevolar el gigante joviano la sonda cambiaría su velocidad en 12 km/s. Seis años después del lanzamiento pasaría por el Sol a tan solo 2,8 radios solares (por eso se llama un fryby) y justo en el momento del paso por el perihelio encendería la segunda etapa de combustible sólido durante tres o cinco minutos para aumentar su velocidad en 5,55 km/s gracias al efecto Oberth. Finalmente la sonda abandonaría el sistema solar siguiendo una trayectoria con una velocidad de 62 km/s.

Lo bueno de esta propuesta es que la sonda podría tener un diseño relativamente estándar —la parte más compleja sería construirla para sobrevivir a un rango de temperaturas tan extremo— y las etapas propulsivas podrían ser versiones de etapas comerciales actualmente en uso. Por ejemplo, el motor de combustible sólido para la maniobra del perihelio podría ser una versión modificada con diez toneladas de combustible de la etapa Star 75. Lo único que habría que diseñar específicamente para la misión sería el escudo térmico, formado por un escudo cónico principal y otro plano secundario (estarían hechos de carbono-carbono con una capa de aerogel). Durante el paso por el perihelio la nave mantendría apuntado el escudo hacia el Sol de tal forma que no experimentase temperaturas superiores a 500 ºC. El escudo plano, más fino, protegería la nave durante el encendido de la etapa de combustible sólido, ya que habría que cambiar de posición la sonda durante los pocos minutos que dura la maniobra.

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Detalle de la maniobra de encendido en el perihelio de la sonda (KISS).

Por supuesto sería posible usar una vela solar —o eléctrica o magnética— para aprovechar todavía más el efecto Oberth, pero el despliegue de semejante estructura tan cerca del Sol lleva asociados ciertos problemas que no se han resuelto del todo aún. Con una velocidad de escape de 62 km/s se podría alcanzar ʻOumuamua muy rápidamente, en menos diez años (sin contar el tiempo que tardaría la sonda en llegar de la Tierra al Sol), aunque la duración precisa del vuelo dependerá del momento en el que despegue. Lo que está claro es que tecnológicamente es posible alcanzar ʻOumuamua, pero también sería muy cara. Si en vez de un SLS se usase un lanzador más pequeño y barato la misión seguiría siendo factible introduciendo acoplamientos en órbita baja y añadiendo más sobrevuelos de Venus y la Tierra. También se pueden rebajar costes reduciendo los requisitos de la misión para alcanzar una velocidad inferior y, por tanto, no sería necesario acercarse tanto al Sol.

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Tiempo de vuelo de una misión a ‘Oumuamua en función de la velocidad hiperbólica y la fecha de lanzamiento (i4is).

En realidad la necesidad de una misión de este tipo depende de lo frecuentes que sean los pasos de objetos interestelares por el sistema solar. Algunas estimaciones tras la visita de ʻOumuamua apuntan a que podrían ser muy frecuentes (como mínimo un objeto grande por década), aunque sacar conclusiones estadísticas en base a un único caso es un pelín arriesgado. Una misión de interceptación en el sistema solar interno sería mucho más sencilla que perseguir a ʻOumuamua en las profundidades del espacio lejano, pero también requeriría maniobras con una Delta-V importante y un tiempo de respuesta del orden de meses. Entonces, ¿nos arriesgamos a esperar al siguiente visitante de las estrellas o aprovechamos la oportunidad de estudiar ʻOumuamua? No tenemos muchos años para pensarlo, porque el tiempo juega en contra nuestra.

PD: si quieres saber cómo se pronuncia ʻOumuamua, aquí tienes una buena referencia. Por cierto, el símbolo ʻ no es un apóstrofe, sino una oclusiva glotal que también aparece en el nombre de Hawaiʻi.

PD2: Proyecto Lira suena muy bien, pero yo propongo el nombre de Proyecto Pegaso para la sonda, que al fin y al cabo es la dirección a la que se dirige ʻOumuamua. Y si no es posible me conformo con el nombre de Endeavour en honor a Arthur C. Clarke.

Referencias:

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