De paseo por el Sistema Solar

Publicado el Jueves, 10 de noviembre de 2011 por MiGUi en Astronomía
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Cuando uno se propone enviar una sonda a otro planeta surcando el Sistema Solar debe tener en cuenta que hay múltiples cuerpos celestes por ahí rondando que tienen su gravedad y que, en mayor o menor medida, pueden afectar a lo largo del viaje hacia nuestro destino.

Siempre nos dicen que el camino más corto entre dos puntos es la línea recta. Pero esto en el espacio no lo podemos hacer sin consumir mucha energía en propulsión, y dado que no somos capaces de enviar ahí arriba más que unos pocos cientos de kilogramos, no podemos pensar en ponerle un tanque de combustible enorme a una sonda para que viaje tan campante en línea recta. Y no podemos hacerlo porque estamos inmersos en un campo gravitatorio y en tales circunstancias necesitamos aportar energía para empeñarnos en tener trayectorias rectilíneas.

Pero es que hay otro problema añadido, y es que la sonda va a estar en todo momento sometida al campo gravitatorio del sistema solar. Si está lo bastante lejos de un planeta podemos considerar que la contribución más relevante es la del Sol y tratar a los planetas como perturbaciones. Como quiera que hagamos las aproximaciones pertinentes al final lo que tenemos es un potencial gravitatorio, que depende inversamente de la distancia. Esto aplicado a dos cuerpos se llamó problema de Kepler o problema de los dos cuerpos y su solución es exacta y conocida desde hace mucho tiempo.

El problema de dos cuerpos origina trayectorias que son secciones cónicas, es decir: elipses, hipérbolas y parábolas. Que sea una de ellas depende de lasa condiciones del problema en particular. Pero por ejemplo, según la Primera Ley de Kepler los planetas describen órbitas elípticas estando el Sol en uno de los focos.

Cuando se formó el Sistema Solar a partir de una nube de gas y polvo caliente que rotaba sobre sí misma y en su núcleo se formó el Sol empezó una limpieza que duró mucho tiempo y que conformó los planetas. Esta nube de gas en rotación, por el hecho de rotar, tenía un momento angular y al formarse los planetas, por las leyes de conservación, éstos mantuvieron el momento angular y por eso rotan y se trasladan. Nada está quieto. Las partículas que iban conformando los planetas ya estaban en órbita alrededor del centro de masas de toda la nube.

La idea de un viaje interplanetario es aprovecharnos de alguna manera de la gravedad para poder llegar consumiendo la menor cantidad de combustible posible. A fin de cuentas los planetas se mueven en torno al Sol condenadamente rápido y no gastan energía en hacerlo. Hay que economizar recursos y cubrir grandes distancias en el menor tiempo posible.

Así que de algún modo nuestro viaje estará compuesto de elipses, parábolas e hipérbolas según nos interese y en cada paso lo que buscaremos será aprovechar el encuentro con los cuerpos celestes del Sistema Solar para que éstos nos ayuden en el viaje.

Nuestra sonda llegará al planeta y “robará” parte de su momento angular y su cantidad de movimiento y la aprovechará para sí. Como la diferencia de masa es inmensa el planeta ni lo va a notar, pero esa minúscula cantidad de movimiento y momento angular que robe servirán para ganar velocidad hacia donde nos interesa ir. Es completamente análogo a una colisión entre dos bolas de billar aunque en el extremo de que una de ellas fuera muchísimo más masiva que la otra.

Otro problema adicional es una vez llegamos al destino, frenar e insertarnos en órbita. Pero primero concentrémonos en la primera parte. Y para eso nada mejor que la experiencia cotidiana. La gravedad, por el principio de equivalencia, equivale a una aceleración. Un cuerpo en un campo gravitatorio se comportará como si fuera acelerado por una fuerza de un cierto valor. Y si soltamos un objeto en el vacío, caerá de forma acelerada. Claro que, en la atmósfera debido al rozamiento existe una velocidad terminal a partir de la cual ya no sigue acelerando. Pero ahí fuera en el espacio, la densidad de gas es tan baja que a todos los efectos va a ser como si estuviéramos en el vacío, hasta que nos metamos de lleno en la atmósfera de un planeta.

Así que vamos a coger nuestra sonda, nos vamos a acercar por detrás (es decir, de modo que nuestra trayectoria coincida con la dirección de avance del planeta en su traslación y el planeta se aleja de nosotros) a un planeta y vamos a tirarnos hacia él. A caer. Pero una caída controlada de tal manera que no acabemos espachurrados contra el suelo. Se trata de aprovechar la caída para ganar velocidad pero de forma tal que en lugar de caer a la superficie nos mantengamos en órbita. Después de este proceso habremos ganado velocidad. Y si lo repetimos varias veces, más velocidad conseguimos hasta que hemos ganado la suficiente para decir adios al planeta y marcharnos a otro sitio donde repetir la misma idea.

Este empuje se conoce como asistencia gravitacional y es la esencia de los viajes interplanetarios. Este empuje podemos usarlo también si queremos frenar la nave. Lo que tenemos que hacer es acercarnos al planeta por delante, con el planeta acercándose a nosotros. Gracias a eso podremos reducir la velocidad, lo cual será útil si vamos muy rápido o si llegamos a destino. Obviamente la nave va a llevar propulsores en distintos puntos para poder hacer correcciones menores y poder corregir y cambiar la trayectoria a medida que la sonda viaja.

Nuestro punto de destino condiciona la fecha del viaje. Porque eso va a determinar dónde van a estar los planetas colocados cuando la sonda vaya a llegar, y siempre nos interesará contar con la ayuda de gigantes como Júpiter si queremos ir hacia más allá del Sistema Solar. Por lo que existen ciertos intervalos de tiempo o “ventanas de lanzamiento” para conseguir el objetivo.

En la siguiente imagen tenemos un ejemplo que muestra las trayectorias de las sondas Voyager 1 y Voyager 2:

Trayectoria de las sondas Voyager 1 y 2

Ambas sondas fueron lanzadas en el intervalo de dos semanas y podemos ver lo diferente que resultó la órbita. Ambas fueron al encuentro del gigante Júpiter y Saturno, pero mientras que ahí la Voyager 1 ya no se encontró con otros planetas, la 2 fue enviada hacia Urano y Neptuno para más tarde salir del Sistema Solar.

Otras de las sondas lanzadas hace décadas y que están ya en los confines del Sistema Solar son las Pioneer 10 y 11. Ambas portaban una placa con información sobre la Tierra para un eventual encuentro extraterrestre. Fueron lanzadas años antes que las Voyager y su asistencia gravitacional fue más compleja, como podemos ver:

La Pioneer 10 lanzada en marzo del 72 tenía que llegar hasta Júpiter y fue la primera sonda en atravesar el cinturón de asteroides. Después de su encuentro, ya no se encontró con otros planetas. En cambio, la Pioneer 11 que fue lanzada al año siguiente, en abril del 73, tras su encuentro con Júpiter fue enviada a Saturno y salió del Sistema Solar en una trayectoria casi diametralmente opuesta a su hermana.

La situación de las sondas actualmente es parecida a esta:

No podemos olvidar que en todo momento estas sondas deben estar con su antena orientada de modo que pueda seguir recibiendo órdenes y enviando datos a la estación de control en la Tierra. Esto restringe también cómo debe orientarse la sonda para que esto sea posible. Y todo esto ya se hacía en los años 70.

La tecnología ha avanzado mucho desde entonces y las sondas actuales son mucho más “inteligentes” y ahora los viajes no son tan rígidos. Una prueba de ello es la misión Cassini-Huygens. Esta misión del JPL de la NASA consistía en enviar una sonda, la Cassini, que explorase Saturno y como parte de su misión, acercarse a su mayor luna Titán y soltar en su atmósfera una sonda, la Huygens. ¡Casi nada!

Trayectoria de la misión Cassini-Huygens

Fue lanzada en octubre de 1997 hacia Venus, planeta al que sobrevoló en dos ocasiones para conseguir asistencia gravitacional. Se le envió de vuelta a la Tierra, de nuevo para la asistencia gravitacional y de ahí a Júpiter para llegar a la inserción orbital en Saturno en 2004. Una vez allí, la Cassini tenía que soltar su “paquete”, la sonda Huygens y una vez hecho esto seguir estudiando los anillos de Saturno y el resto de observaciones. Podéis ver todas las subfases de la misión primaria aquí.

Pero aún hoy la sonda sigue activa. La NASA consideró que la misión fue todo un éxito y ha ido prorrogándola. En la actualidad, la misión se llama Cassini Solstice Mission que durará hasta el solsticio de Saturno en 2017. En la web de la NASA se puede ver la posición actual, simulada por ordenador:

La sonda Cassini hoy

Aquí podemos apreciar en más detalle la complejidad de todos los vuelos que ha ido haciendo la sonda desde su lanzamiento y lo bueno es que la misión puede durar mientras dure el gas de sus propulsores para corregir la trayectoria, y seguirá navegando en ese entresijo de anillos y satélites a base de órbitas sucesivas, con la fundamental ayuda de la asistencia gravitacional y minimizando el uso de sus propulsores para prolongar la misión lo que sea necesario. Sin duda todo un éxito de la ingeniería moderna.

No quiero acabar este post sin acordarme de otra sonda, la New Horizons, que se dirige hacia Plutón. Esta sonda ha conseguido desplazarse a un máximo de 17.19 kilómetros por segundo, respecto al Sol, gracias a la asistencia gravitacional (velocidad muy similar a la de la Voyager 1). Aunque el récord absoluto de velocidad pertenece a las sondas Helios 1 y 2 que han alcanzado más de 70 km/s.

La trayectoria de la New Horizons es así:

Para llegar a Plutón necesitaba la asistencia gravitacional de Júpiter, planeta al que sobrevoló y del que tomó fotografías así como de alguna de sus lunas. En 2008 cruzó la órbita de Saturno y marzo de 2011 la de Urano. Cabe recordar que a partir de Marte, cada planeta está aproximadamente al doble de distancia del Sol que el anterior. La sonda llegará a Neptuno en 2014 y el encuentro con Plutón será en 2015. La misión entonces investigará el planeta enano y otros objetos del cinturón de Kuiper.

No todo han sido éxitos, claro está, en esto de las sondas espaciales. El fracaso sonado de la Mars Climate Orbiter debido a un error en las unidades (el control de Tierra usaba el sistema anglosajón de unidades mientras que la nave usaba el Sistema Internacional) para calcular la inserción orbital provocó la pérdida de la sonda, aunque los de control de Tierra llevaban tiempo avisando a sus superiores de que la sonda requería más correcciones de lo normal y éstos ignoraron la recomendación de investigar el motivo.

Claro que una extensa lista de éxitos no va a quedar ensombrecida porque de vez en cuando se cometa algún error. La exploración espacial es todo un arte, y podemos decir que el laboratorio de propulsión a chorro (JPL) de la NASA lo hace de maravilla.

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  1. Dani dice:

    Las sondas dan muchos rodeos, pero este post ha ido al grano. Genial, Migui. Muy bien explicado.

    Saludetes