La NASA ha enviado varias misiones robóticas a Marte con éxito. El diseño de una nave espacial para llevar a los seres humanos al planeta rojo y de forma segura a la Tierra sigue siendo un desafío. Crédito: NASA
El 14 de enero de 2004, el presidente George W. Bush dio un discurso en la sede de la NASA diseñando un "nuevo rumbo" para el programa espacial que "extendía la presencia humana a través del sistema solar."
Con un recordatorio de lo que había sido casi un cuarto de siglo desde que Estados Unidos desarrollara un nuevo vehículo para la exploración espacial, Bush hizo un llamamiento para un nuevo vehículo espacial tripulado.
"Construiremos nuevas naves para llevar al hombre a entrar en el universo, poner un pie en la Luna nuevamente, y prepararse para nuevos viajes a mundos más allá del nuestro", dijo Bush.
Como respuesta a la visión del Presidente Bush de la exploración espacial, la NASA, en mayo de 2005, comenzó los Sistemas de Exploración del Estudio de Arquitectura (AES), que sirvió de modelo para futuras naves espaciales que eventualmente enviarían humanos a la Luna y a Marte. La NASA puede o no puede usar las especificaciones de diseño descritas en este estudio, pero cualquiera que sea el diseño que con el tiempo se utilice, va a ser muy diferente del diseño de las misiones robóticas que se utilizan hoy en día.
"Cuando queramos enviar humanos a la superficie se va a necesitar un sistema EDL capaz de lanzar al menos 10 veces más de masa y volumen (que las misiones robóticas actuales a Marte)", dijo Engelund. "La NASA ha pensado seriamente en esto en los últimos años."
Por lo menos 34 millones millas separan Marte y la Tierra (la distancia entre los dos planetas varía a lo largo de sus órbitas elípticas alrededor del Sol). Uno de los mayores obstáculos a los que se enfrentan los ingenieros de diseño es tratar con la cantidad de combustible que serán necesarios para enviar una nave espacial a una distancia de ida y vuelta. Más combustible significa más peso y más peso: la necesidad de más combustible para transportar ese peso.
Entrando en la órbita de Marte con menos combustible
Por razones de seguridad y operacionales, la nave espacial que viajará a Marte probablemente no aterrizaría en la superficie inmediatamente después de llegar al planeta rojo.
"Durante una misión a escala humana, es muy probable que tengamos una nave espacial que se mantenga en órbita con los alimentos y suministros para el viaje a casa, y también como un" refugio seguro "en caso de que algo vaya mal en la superficie", dijo Engelund.
Lo que los científicos están imaginando es que la nave espacial primero entraría en órbita de Marte y luego desplegaría un módulo de descenso hasta la superficie. La capacidad de la primera órbita del planeta antes de aterrizar en él también dará a los astronautas una oportunidad de observar la atmósfera para asegurarse de que no hay tormentas de polvo o de condiciones meteorológicas peligrosas en el lugar donde se planea el aterrizaje.
Para entrar en la órbita de Marte, los científicos están planeando usar un método llamado aerocaptura, que nunca ha sido probado antes.
"Uno de los problemas de conseguir que una nave espacial vaya a otro planeta es que primero tenemos que sacarla de la órbita de la Tierra", explicó Engelund. "Así que tenemos que acelerarla a una velocidad lo suficientemente alta como para romper el campo gravitatorio de la Tierra. Entonces, cuando la nave llegue a su planeta de destino, tiene que reducir la velocidad lo suficiente como para que sea "capturada" en órbita alrededor del campo de gravedad de ese planeta. "
Un proceso llamado aerofrenado ha sido utilizado con éxito en misiones anteriores. El aerofrenado utiliza una propulsión para insertar primero la nave espacial en órbita (órbita de captura) y, a continuación circularizarla (o alcanzar la órbita deseada, también conocida como la órbita de ajuste) por tener la nave espacial pasando por la parte superior de la atmósfera en varias ocasiones. La aerocaptura, por el contrario, se lleva a cabo tanto en la captura de la órbita y la órbita de ajuste en una sola pasada como a través de la atmósfera más profunda.
Por lo general, a la ralentización de una nave espacial se realiza por disparos de los retro-cohetes, o los propulsores que se encienden en la dirección opuesta al movimiento donde la nave espacial está viajando. Según Engelund, este método requiere una gran cantidad de combustible y ha de llevarse todo el camino hasta que la nave espacial llegue a Marte. Se añade un peso adicional a un vehículo que ya es muy pesado y muy caro. La maniobra de aerocaptura en su lugar, utiliza la fricción causada por la atmósfera superior del planeta para frenar el vehículo. La atmósfera, en este caso, sirve como un "freno" para el vehículo, eliminando la necesidad de combustible adicional.
A pesar de las ventajas de utilizar el método aerocaptura, los científicos también han estudiado algunos de los inconvenientes y cómo tratar con algunos de los posibles problemas que puedan surgir. Según los autores de este informe, los estudios históricos han demostrado que la aerocaptura es una tecnología relativamente de bajo riesgo. Sin embargo, muchos de esos estudios se basaban en pequeñas cargas útiles más adecuadas para misiones robóticas.
Durante la maniobra de aerocaptura, la nave debe tener una inmersión profunda a través de la atmósfera de Marte. La fricción experimentada durante la entrada hace que la energía de la velocidad del vehículo se convierta en calor. Este calentamiento requiere una aerocubierta extra y un sistema de protección térmica para proteger a la nave y todo lo de dentro. Engelund dijo que incluso con estos componentes adicionales, utilizando aerocaptura todavía se requiere menos peso total para entrar en la órbita de Marte que con un método de propulsión.
El otro problema potencial es el software que guía a la nave durante la aerocaptura. El programa que se utiliza es lo suficientemente inteligente como para determinar los parámetros importantes: la profundidad en la atmósfera que la nave espacial tiene que ir, cómo supervisar el progreso en tiempo real, y predecir el momento de volver a salir de la atmósfera para llegar a la órbita correcta. La precisión, sin embargo, es la clave.
"Entrar en la atmósfera en ángulo demasiado profundo haría que se quemara el vehículo", explicó Engelund. "Y demasiado poco no quitaría demasiada velocidad a la nave, y cuando saliera fuera de la atmósfera no entraría en la órbita correcta o peor aún, no entraría para nada en órbita con el planeta."
El conocimiento de la atmósfera de Marte ayudará a los científicos a poner a punto este procedimiento.
"Pero estas son todas las cosas que hemos estado estudiando durante años - en algunos casos, incluso décadas - y (que) nos sentimos seguros de que podríamos diseñar un sistema de aerocaptura utilizando la tecnología actual", dijo Engelund.
El presupuesto lo permite
En abril del año pasado, el presidente Barack Obama, habló en una conferencia en el Centro Kennedy de la NASA, reiterando el compromiso de Estados Unidos para el envío de un ser humano a Marte.
"En el 2025, esperamos que una nueva nave diseñada para viajes largos para que podamos comenzar las misiones con tripulación por primera vez más allá de la Luna en el espacio profundo", dijo Obama. "Vamos a empezar por el envío de astronautas a un asteroide por primera vez en la historia. A mediados de la década de 2030, creo que podremos enviar humanos a la órbita de Marte y regresar sanos y salvos a la Tierra. Y se seguirá con un aterrizaje en Marte. Y espero estar aquí para verlo. "
Desde entonces, sin embargo, la NASA ha sido objeto de recortes presupuestarios que tendrán un impacto en varios programas, incluidos los que tienen que ver con el diseño de naves espaciales para los vuelos de larga distancia.
"Creo que la NASA ha decidido dar un paso atrás y mirar a una amplia gama de inversiones en tecnología para permitir la futura exploración espacial más allá de nuestra órbita de la Tierra", dijo Engelund.
Algunos de los recortes lo más probable es que afecten al programa de Marte y determinar cuando los seres humanos serán capaces de explorar el planeta rojo.
"Desafortunadamente, el desarrollo está estrechamente vinculado con el presupuesto", dijo Ayanna Howard, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y el presidente del programa robótico de doctorado en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Si la financiación disponible es suficiente, entonces los científicos y los ingenieros deben ser capaces de desarrollar e integrar los componentes necesarios, como el sistema EDL humano necesario para las misiones a Marte en los próximos 30 años. Si no se asignan suficientes recursos, este plazo podría no ser factible. "
Una misión tripulada a Marte aún requiere una gran cantidad de investigación e inversión; los científicos y los gobiernos deberían en cuenta opciones alternativas si quieren ver a un ser humano - de cualquier país de la Tierra en Marte.
"Creo que hay una sensación real de que la NASA no puede permitirse el lujo de ir sola, y mirar hacia las alianzas internacionales y la cooperación ", dijo Engelund. "Personalmente creo que hay un enorme potencial para enviar humanos a Marte - ¿qué mejor manera de hacerlo con una campaña global que permita a muchos países trabajar juntos? "
