lunes, 25 de enero de 2016

Cómo viajar al hipotético noveno planeta del sistema solar

No se ha descubierto aún, pero todo indica que más allá de Neptuno hay al menos un planeta oculto en las penumbras del sistema solar exterior, allí donde el Sol es otra estrella más, solo ligeramente más brillante que el resto. Supongamos por un momento que este planeta existe. La primera pregunta que se nos puede pasar por la cabeza es: ¿podríamos viajar hasta allí? Las distancias de las que estamos hablando son, como veremos, apabullantes, pero resulta fascinante pensar que ya existen diseños de sondas espaciales capaces de visitar este nuevo mundo.


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La sonda interestelar IIE sobrevuela Júpiter para ganar velocidad antes de abandonar el Sistema Solar. Una sonda de este tipo podría visitar el hipotético Planeta X en menos de medio siglo (NASA).
Antes de nada, conviene aclarar a qué nos enfrentamos. Se trata de viajar más lejos de lo que ha llegado cualquier artefacto humano. Veámoslo con un par de cifras. La frontera clásica del sistema solar es la órbita de Neptuno, situada a unas 30 Unidades Astronómicas (UA) del Sol, es decir, unos 4500 millones de kilómetros. Hasta la fecha, cinco naves espaciales han alcanzado y superado esta distancia: Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 y New Horizons. La Voyager 1 es la nave más veloz jamás lanzada -17,4 kilómetros por segundo- gracias a las cuatro maniobras de asistencia gravitatoria con planetas gigantes realizadas durante su misión y en el momento de escribir estas líneas está a 134 UA del Sol, o sea, veinte mil millones de kilómetros. No está nada mal, aunque ha tardado 38 años en alcanzar esa distancia.


Más pruebas de que podría existir un noveno planeta más allá de la órbita de Neptuno (Caltech AMT).
¿Podríamos visitar un noveno planeta que esté más allá de la órbita de Neptuno? (Caltech AMT).
Muy bien, ¿pero dónde está el noveno planeta? Obviamente, nadie lo sabe con certeza, aunque los recientes cálculos de Mike Brown y Konstantin Batygin sugieren que, de existir, tendría una órbita muy elíptica. De ser así, el Planeta X no se acercaría al Sol a menos de 200 UA (30 000 millones de kilómetros) y podría alejarse hasta casi mil UA (!). ¡Como mínimo estaría a siete veces la distancia de Neptuno! Puesto que el tiempo que tarda en dar una vuelta al Sol se estima que ronda entre diez y veinte mil años, está claro que no podemos esperar a que pase por el perihelio y tendremos que afrontar una misión a la distancia que a la que se encuentre ahora, sea esta la que sea. Lamentablemente, las probabilidades de que se halle cerca del Sol son muy bajas, porque de ser así ya lo habríamos descubierto, así que vamos a suponer que está a una distancia del orden de 700 UA (que, de paso, es el semieje mayor de la órbita calculada por Brown y Batygin suponiendo que se trate de una supertierra de diez masas terrestres).


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Sonda Interstellar Precursor Mission de los años 80. Abajo se aprecia el orbitador de Plutón en pleno proceso de separación (NASA/JPL).


Una sonda que vaya tan deprisa como la Voyager 1, a 3,6 UA por año (UA/año), tardaría doscientos años en llegar hasta el Planeta X. Evidentemente, no es suficiente. Ahora es cuando podríamos hablar de sistemas de propulsión exóticos como la antimateria o velas láser, pero lo cierto es que reconocer que tenemos que recurrir a estas tecnologías inexistentes es lo mismo que decir que no vamos a ver una sonda de este tipo en muchas décadas, quizás ni siquiera en este siglo. Afortunadamente, no hace falta invocar tecnologías de ciencia ficción.
En los años 70 surgieron los primeros proyectos de sondas para estudiar la heliopausa, el límite entre la heliosfera solar y el medio interestelar considerado como la ‘frontera del sistema solar’ (una frontera poco relevante si finalmente el Planeta X está más allá de la misma). No es de extrañar que los diseños de estas sondas sean más que adecuados para una misión al hipotético noveno planeta. En 1977 un equipo de la NASA dirigido por Leonard Jaffe propuso la misión IPM (Interstellar Precursor Mission) para llegar a mil UA en cincuenta años. IPM se transformaría una década más tarde en el proyecto TAU (Thousand Astronomical Units) del centro JPL de la NASA, así que a veces los dos conceptos se confunden en la literatura. TAU sería una sonda perfecta para visitar el Planeta X, a pesar de que medio siglo nos pueda parecer mucho tiempo.


Sonda TAU con el reactor nuclear y el sistema de propulsión iónico. Se aprecia la antena de alta ganancia y el orbitador de Plutón (NASA).
Sonda TAU según un diseño de finales de los años 80 (NASA).
Para alcanzar la impresionante velocidad de 106 km/s (o 20 UA/año) requerida para la misión, TAU recurría a un reactor nuclear destinado a alimentar un sistema de propulsión eléctrico (NEP) con una docena de motores iónicos a base de xenón de alto impulso específico. La sonda TAU debía tener una masa de 60 toneladas y una longitud de 25 metros, por lo que habría que usar un cohete gigante para ponerla en órbita, o bien emplear varios lanzamientos de vectores más pequeños. El módulo con el reactor y el sistema de propulsión se separaría tras los dos primeros años de misión tras alcanzar la velocidad requerida.
El problema de TAU es que se trataba de un proyecto tremendamente caro para una sonda destinada a estudiar la heliopausa. Es posible que una misión al noveno planeta pueda justificar el coste de esta sonda, pero teniendo en cuenta el panorama actual y las vicisitudes por las que tuvo que pasar la misión New Horizons para ser aprobada, lo dudo mucho. Entonces, ¿se puede mandar una sonda más modesta a estas distancias? No es una tarea fácil, pero la respuesta es afirmativa.
Desde los años 90 se han llevado a cabo varios estudios de sondas precursoras interestelares, que es como se suele denominar a estas misiones a la heliopausa por estar a medio camino entre una sonda planetaria y una sonda interestelar propiamente dicha. Los proyectos más conocidos son Interstellar Probe, Interstellar Explorer o Innovative Interstellar Explorer, de la NASA, así como Interstellar Heliospheric Probe de la ESA (proyectos de los que ya hablamos en esta entrada). Todos estos proyectos tienen en común el que ser sondas de pequeño tamaño, del orden de 300-600 kg, para permitir la máxima aceleración durante la fase propulsiva.


La sonda Interstellar Explorer de la NASA se aleja del Sol gracias a los motores iónicos de xenón, cuya luz azulada le da un aspecto fantasmagórico a la nave (NASA).
La sonda Interstellar Explorer de la NASA se aleja del Sol gracias a los motores iónicos de xenón (propulsión REP), cuya luz azulada le da un aspecto fantasmagórico a la nave. Se aprecia la antena con una lente de Fresnel para comunicaciones ópticas (NASA).
¿Pero cómo alcanzar la velocidad de 20UA/año para llegar al Planeta X en menos de medio siglo? Las maniobras de asistencia gravitatoria con los planetas gigantes están muy bien, pero la Voyager 1 usó una alineación de los planetas exteriores muy poco frecuente, así que una sonda tendría que conformarse con un sobrevuelo de Júpiter, que, de todas formas, es el que más Delta-V aporta con diferencia (entre 2 y 3 UA/año). El paso por el gigante joviano también permitiría, de paso, que la sonda salga del plano de la eclíptica para interceptar el plano orbital del noveno planeta. Pero incluso sobrevolar Júpiter no es suficiente. Una alternativa mejor es emplear el propio Sol para efectuar una maniobra de asistencia, aprovechando su enorme campo gravitatorio. El problema es que para sacar partido a esta técnica -gracias al Efecto Oberth- hay que pasar muy cerca de nuestra estrella, por lo que habría que diseñar la sonda para que pudiera soportar altísimas temperaturas. Si además añadimos una vela solar durante la fase de acercamiento al Sol podremos multiplicar la velocidad de escape del sistema solar de forma significativa.


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Una vela solar podría aumentar la velocidad de escape del sistema solar tras pasar cerca del Sol (NASA).
El proyecto Interstellar Probe de 1999 preveía usar una gran vela solar de 400 metros de diámetro y pasar a una distancia mínima de 38 millones de kilómetros del Sol para alcanzar una velocidad de 70 km/s. De forma parecida, la sonda Interstellar Explorer, también conocida como RISE (Realistic InterStellar Explorer), viajaría primero a Júpiter para poder acercarse mucho al Sol -alcanzar el fondo del pozo gravitatorio del sistema solar no resulta sencillo-, hasta solo tres millones de kilómetros. Este sobrevuelo del Sol lograría alcanzar una velocidad de escape de 53 km/s sin emplear otro sistema de propulsión.


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Sonda Innovative Interstellar Explorer. Se aprecian los motores iónicos en color azul (NASA).
Teniendo en cuenta la dificultad técnica de los sobrevuelos solares, es lógico que algunas misiones prescindan de ellos. La misión Innovative Interstellar Explorer de 2003 confiaba solamente en la propulsión REP, es decir, motores iónicos alimentados por generadores de radioisótopos (RTGs) y un sobrevuelo de Júpiter para llegar a una velocidad de unas 10 UA/año. Por su parte, el proyecto Interstellar Heliopause Probe de la ESA estudió varias combinaciones de velas solares y sistemas de propulsión iónicos. Estos estudios demostraron que el uso de una etapa de propulsión iónica mediante energía solar (SEP) desechable -que funcionaría en el sistema solar interior- y propulsión REP con motores iónicos instalados en la propia sonda alimentados por RTGs, además de un sobrevuelo de Júpiter, sería suficiente para alcanzar velocidades del orden de 10 UA/año. Por otro lado, el cohete elegido para lanzar la sonda influye sustancialmente en la velocidad de escape, sí, pero menos de lo que pudiéramos pensar (a no ser que tengamos etapas superiores con propulsión térmica o algo por el estilo). Es mucho más importante el uso de propulsión eléctrica o sobrevuelos solares.


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Sonda Interstellar Heliopause Probe de la ESA. A la izquierda acoplada a una etapa SEP (ESA).


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Velocidad de escape del sistema solar en UA/año dependiendo del cohete y la etapa de escape empleada. Los cálculos corresponden al cohete Ares V ya cancelado, pero no son muy diferentes de los datos correspondientes al SLS Block 2. Se aprecia el empujón del sobrevuelo de Júpiter (NASA).
Una velocidad de 10 UA/año estaría bien en el caso de que el Planeta X no se encuentre muy lejos, pero si realmente está a 700 UA es obvio que no basta. Alcanzar 20 UA/año, como en el proyecto TAU, es factible si usamos, por ejemplo, una combinación de etapas SEP, propulsión REP, velas solares -o velas eléctricas- y un cohete potente como el SLS Block 2. Ni que decir tiene, el empleo de todos estos elementos al mismo tiempo dispararía el coste de la misión de forma más que considerable.
Pero alcanzar la velocidad adecuada es solo parte del problema. Hay que garantizar las comunicaciones y que los sistemas de la nave funcionen durante décadas. Con respecto a este último punto, debemos tener en cuenta que estamos hablando de décadas, por lo que quizás sea necesario usar RTGs de Americio 241 en vez de Plutonio 238, ya que el Am-241, aunque produce menos energía, tiene una vida media mayor. La misión New Horizons nos ha mostrado algunas de las estrategias que podría usar una eventual sonda al noveno planeta, entre las que se incluyen periodos de hibernación y la transmisión de datos durante largos periodos de tiempo. Debido a las tremendas distancias implicadas no se puede descartar el empleo de nuevos sistemas de comunicación ópticos, aunque consuman más energía. Además, una sonda al noveno planeta no debería limitarse a pasar por el objetivo y lo ideal sería que se pusiese en órbita alrededor. Huelga decir que este requisito es difícil de conciliar con una velocidad de sobrevuelo muy alta y una baja.
Recapitulando, ya disponemos de diseños de sondas capaces de alcanzar un noveno planeta situado a 700 UA en un periodo de tiempo comprendido entre 35 y 70 años. Por lo tanto, si logramos descubrir el Planeta X seríamos capaces de visitarlo tras un viaje de medio siglo aproximadamente. Las malas noticias son que ninguno de nosotros vivirá lo suficiente para ver este proyecto hecho realidad. Por este motivo, quizás sea más fácil esperar a disponer de grandes telescopios espaciales interferométricos que nos muestren los detalles de este nuevo mundo.

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