Rumbo al cosmos (24 page)

En cualquier caso, y a pesar del grave inconveniente que representa la existencia de atmósfera cuando se trata de descender sobre un planeta procedente del espacio, debido a la necesidad de pesados escudos térmicos, en conjunto podemos decir que resulta sumamente beneficiosa por el frenado natural y gratuito que proporciona. Frenado que puede complementarse con sistemas pasivos (ligeros, fiables y de bajo coste) como los paracaídas, evitando así el enorme peso y coste que supondría contar sólo con sistemas activos, como retrocohetes, para realizar el descenso sobre otro planeta o la propia Tierra en el curso de una misión espacial.

El frenado atmosférico

Pero además del beneficio que supone la atmósfera para frenar un vehículo espacial durante su descenso sobre un planeta, existe una ventaja adicional a la que últimamente se le está sacando bastante jugo en las misiones no tripuladas a Marte: se trata de las maniobras de frenado atmosférico.

Estas maniobras consisten en utilizar el rozamiento con las capas altas de la atmósfera de un planeta para producir un efecto de frenado del vehículo que le permita entrar en una órbita adecuada alrededor del mismo. Aunque el efecto puede conseguirse perfectamente mediante encendidos del motor cohete de la nave, de esta forma se ahorra una importante cantidad de propulsante, que permite aligerar el vehículo a su partida, bien para reducir costes, o bien para aumentar su carga útil.

En la realización de este tipo de maniobras, habitualmente se deja el vehículo en una órbita elíptica de alta excentricidad alrededor del planeta de destino, por medios convencionales (encendidos del motor cohete). Dicha órbita se elige de forma que su pericentro (punto de la órbita más próximo al planeta) roce ligeramente las capas altas de la atmósfera. Así, en cada vuelta en su órbita, la nave se ve ligeramente frenada en un entorno de ese punto, lo que provoca que el apocentro de la órbita vaya descendiendo poco a poco; en otras palabras, la órbita se va circularizando, de forma “gratuita”. Conseguir la circularización por medio de cohetes precisaría de un importante frenado que consumiría una gran masa de propulsante.

Imagen: Proceso de circularización progresiva de la órbita alrededor de un planeta mediante frenado atmosférico. (
Esquema: J.Casado
)

Evidentemente, el éxito de este tipo de maniobras requiere del buen conocimiento de la atmósfera del planeta en cuestión, de forma que sea predecible de forma muy aproximada cuál va a ser el efecto de frenado experimentado, para evitar sorpresas que puedan dar al traste con la misión en su última fase.

Las asistencias gravitatorias dadas por un planeta a un vehículo espacial, son un tipo interesante de maniobras ampliamente utilizadas en misiones de sondas espaciales. El caso de las sondas Voyager puede ser uno de los más representativos, aunque posteriores misiones como Galileo y Cassini profundizaron aún más en esta técnica.

La asistencia gravitatoria consiste en aprovechar la gravedad de un planeta para producir una desviación en la trayectoria seguida por el vehículo, al mismo tiempo que se produce un incremento en su velocidad. Bien utilizado, puede emplearse para ir modificando la trayectoria de un punto a otro, para así estudiar diversos puntos del espacio sin apenas gastar propulsante en los cambios de trayectoria (caso de las Voyager), o bien para aumentar la velocidad inicial de un vehículo pesado y enviarlo así a misiones a planetas lejanos utilizando lanzadores no excepcionalmente potentes (caso de las sondas Galileo o Cassini).

Desviaciones gravitatorias

Que un campo gravitatorio puede desviar una trayectoria es fácil de ver. Basta con pensar en una tela elástica extendida con una hondonada en su centro (la cual representa el campo gravitatorio), sobre la que lanzamos una bola de forma tangencial a dicha deformación. La trayectoria, en principio recta, de la bola se curvará al pasar cerca de la hondonada, continuando su desplazamiento a continuación (si la velocidad era suficiente) de nuevo en línea recta, pero en una dirección desviada con respecto a la original.

Si la velocidad con la que lanzamos la bola es demasiado baja, es posible que caiga hacia el fondo de la hondonada y se quede allí. Sería el equivalente a una captura gravitatoria por parte de un planeta. Pero si la velocidad inicial era suficientemente alta, continuará su camino sin más que una alteración de su trayectoria. Tendremos la desviación gravitatoria a la que hacíamos referencia.

Este efecto nos puede ser muy útil en una misión espacial si queremos desviar el itinerario de un determinado vehículo sin gasto de propulsante. El caso más representativo fue el de la Voyager 2, cuando a su paso por cada uno de los planetas exteriores era desviada de su trayectoria anterior lo necesario para enviarla hacia el siguiente planeta del Sistema Solar. La aproximación a cada uno de ellos estaba perfectamente calculada para conseguir exactamente la desviación requerida en cada caso.

Imagen: Trayectoria de las sondas Voyager, que utilizaron una especial configuración de los planetas exteriores del Sistema Solar para ir visitándolos uno detrás de otro por medio de asistencias gravitatorias. (
Imagen: NASA
)

Acelerones gravitatorios

Hasta ahora hemos hablado de desviaciones en la trayectoria, pero ¿no habíamos dicho que estas maniobras también se utilizan para ganar velocidad?

Efectivamente, aunque esto quizás ya no es tan fácil de ver de una forma intuitiva. Empecemos por analizar qué le pasaba a la bola de nuestro ejemplo: teníamos que, tras su paso por las inmediaciones del punto de máxima deformación de la tela, la bola continuaba su trayectoria más o menos con la misma velocidad con la que había llegado inicialmente. En realidad, en este ejemplo su velocidad “de salida” será algo menor que la “de entrada” debido al frenado al que se ve sometida constantemente nuestra bola por el rozamiento con la superficie sobre la que se desplaza. Pero en el caso real de un objeto moviéndose libremente en el espacio en las inmediaciones de un cuerpo masivo, ambas velocidades serán idénticas en magnitud aunque orientadas en diferente dirección. En ambos casos, el objeto se habrá acelerado al aproximarse al cuerpo que crea el campo gravitatorio (cuando la bola “cae” hacia la deformación) para luego decelerarse al alejarse de él (cuando “asciende” de nuevo para salir de la zona hundida), contrarrestándose ambos efectos para dejar una velocidad final igual a la inicial en cuanto a magnitud.

Pero si las velocidades de entrada y salida son iguales, ¿dónde está la ganancia en velocidad a la que hacíamos referencia?

La razón está en que hasta ahora hemos considerado que el cuerpo central, el que crea el campo gravitatorio (que no es más que una deformación del espacio-tiempo, gráficamente simulada por la tela deformada) está inmóvil. O bien que, si se mueve, nosotros lo hacemos con él; es decir, que estamos realizando la observación desde un sistema de referencia ligado a dicho cuerpo. En ese caso, todo lo dicho es cierto: hay desviación, pero no hay diferencia en cuanto a velocidades.

Pero veámoslo ahora desde otro punto de vista: supongamos que el cuerpo con masa se mueve por el espacio con una velocidad determinada (Vp) y que ahora nosotros lo observamos todo “desde el exterior”, es decir, sin movernos con dicho cuerpo. ¿Qué es lo que veremos?

Pues en este caso sí apreciaremos una aceleración de nuestra bola, o de nuestra nave espacial, y veremos que realmente sale de su encuentro con el cuerpo masivo a una velocidad mayor de la que tenía durante su acercamiento.

La forma más fácil de comprobarlo es con un diagrama vectorial en el que se comparen velocidades relativas con velocidades absolutas, como el que ilustra este artículo. Como hemos visto anteriormente, la velocidad de llegada (V
₁
) y de salida (V
₂
) del vehículo
relativas
al planeta son idénticas, aunque con diferente dirección. Pero su velocidad
absoluta
, vista desde el exterior, será el resultado de sumar a esta velocidad relativa al planeta, la velocidad del propio planeta en su órbita (Vp); de esta forma veremos que la velocidad real de nuestro vehículo no sólo ha cambiado de dirección, sino que también ha crecido en magnitud, como puede observarse en el gráfico.

Imagen: En este croquis vectorial puede observarse cómo la velocidad de la sonda tras su encuentro con el planeta, V
₂
, no sólo es distinta en dirección a la velocidad con la que llegó, V
₁
, sino que también ha aumentado en magnitud. (
Esquema: J.Casado
)

La realidad es que, debido a que el planeta está moviéndose en su órbita, “arrastra” al vehículo que se le aproxima con su movimiento, consiguiendo que tras pasar por sus inmediaciones, su velocidad sea mayor. Ahora sí podemos hablar con rigor de “asistencia” gravitatoria, pues habremos conseguido aumentar la velocidad de nuestro vehículo sin coste alguno de propulsante.

Ajustando la ayuda

La magnitud de la asistencia gravitatoria, tanto en incremento de velocidad como en grado de desviación, depende principalmente del acercamiento de la sonda al planeta y de la masa del propio planeta. Cuanto mayor sea el planeta, y cuanto más cerca se pase de su superficie, más acusado será el efecto obtenido. A modo de ejemplo, y suponiendo que pudiéramos aproximar una sonda hasta rozar la superficie del cuerpo (lo cual es casi siempre imposible, por la existencia de atmósfera o fuerte radiación), los máximos incrementos en la velocidad que podríamos obtener serían 7 km/s para Venus, casi 8 km/s para la Tierra, 3,5 km/s para Marte, 43 km/s para Júpiter, o 26 km/s para Saturno. Se puede ver fácilmente por qué en las misiones Galileo o Cassini se ha utilizado Venus o la Tierra para dar asistencias gravitatorias, en lugar de utilizar a Marte. Júpiter, por su parte, es el más atractivo de todos, pero primero hay que llegar hasta allí...

Imagen: Trayectoria seguida por la sonda Cassini, con uno de los esquemas de asistencias gravitatorias más complejos seguidos hasta ahora. La sonda recibió dos asistencias gravitatorias por parte de Venus, una por parte de la Tierra, y una última a su paso por Júpiter, para llegar hasta Saturno con la mayor economía de lanzamiento posible. (
Imagen: NASA
)

Pero no siempre nos interesa acelerar un vehículo en su periplo por el Sistema Solar: hay casos en los que puede interesarnos frenarlo. Por ejemplo, cuando queremos ponerlo en órbita alrededor del planeta de destino. Y de nuevo podemos aprovechar lo que nos ofrece gratis la naturaleza para hacerlo con un gasto mínimo de propulsante.