Cuando pensamos en una nave espacial, a menudo imaginamos un vehículo con una serie de toberas en la parte trasera como las de un avión a reacción. La realidad, sin embargo, es un poco diferente y es muy probable que el día que por fin viajemos hacia otras estrellas lo hagamos con otra tecnología.
Los motores de cohete impulsados por combustible líquido son una tecnología que está cerca de cumplir los 100 años (El primer lanzamiento de un artefacto así se lo debemos al físico estadounidense Robert Goddard en 1926). Sin embargo, aún hoy siguen siendo el principal método para llegar hasta el espacio y uno de los más rápidos para desplazarnos por él en distancias cortas.
El problema de los cohetes impulsados por combustible químico es que la nave tiene que transportar ese combustible, y eso añade peso. Al final, el delicado equilibrio entre impulso y masa hace que sea necesaria una alternativa más eficiente si queremos ser capaces no solo de salir del Sistema Solar, sino de explorar este con unos tiempos de viaje que no se dilaten durante años.
En los últimos 100 años los científicos no han estado cruzados de brazos. Diferentes físicos, químicos e ingenieros a lo largo y ancho del globo han tratado de desarrollar una alternativa a los propulsores tradicionales. Algunas de esas alternativas ya operan con la suficiente efectividad como para impulsar naves reales en el espacio. Otras llevan camino de hacerse realidad pero aún les queda algún problema por solventar. Las más atrevidas, por último, aún se debaten en el plano teórico.
Todas ellas, sin embargo, son absolutamente fascinantes. A continuación os ofrecemos un repaso a los principales sistemas de propulsión que la humanidad ha sido capaz de idear. Abarcarlos absolutamente todos excede el propósito de este post, que es tener una visión general, así que os invitamos a hablar de otros sistemas de propulsión en los comentarios si creéis que son importantes y los hemos omitido.
PRIMERA PARTE: PROPULSORES REALES
Todos los motores de este apartado se han construido, probado y han demostrado que funcionan en el espacio. Todos ellos, sin embargo tienen diferentes limitaciones técnicas que los hacen inviables para impulsar una nave interestelar, al menos por ahora. Algunos generan demasiado poco impulso. Otros sí que lo hacen, pero consumen demasiado combustible.
Propulsores químicos (motores cohete)
Los motores cohete son aquellos que generan empuje a partir de la liberación de gases producidos en una cámara de combustión. Suena rústico, pero tienen el mérito de haber impulsado los momentos más épicos de la carrera espacial en los últimos años, desde las misiones Apolo a los cohetes reutilizables de Elon Musk.
Para generar ese empuje, los propulsores químicos suelen confiar en una mezcla de diferentes sustancias. Los cócteles más comunes emplean oxígeno e hidrógeno, oxígeno y queroseno, o tetróxido de dinitrógeno e hidrazina. Todos ellos tienen la ventaja de generar empujes y velocidades de escape muy elevadas. No en vano son el único medio conocido de alcanzar la velocidad necesaria para escapar a la gravedad terrestre y llegar al espacio. También tienen la ventaja de que funcionan en vacío y no contaminan. Lo que sale de su escape es, en su mayor parte, vapor de agua sobrecalentado.
El problema de los propulsores químicos es que necesitan grandes cantidades de combustible. Las agencias espaciales parchean este problema mediante tanques presurizados. En los últimos años también están estudiando sistemas para generar combustible disociando materiales que podemos encontrar por el camino. En Marte, por ejemplo, sería posible generar oxígeno e hidrógeno a partir del agua para repostar la nave en su viaje de vuelta. Como solución para Marte está bién, pero es muy poco efectiva en viajes más largos.
Propulsores de iones
Los motores de iones se están convirtiendo en una buena alternativa para las misiones protagonizadas por sondas espaciales de tamaño medio por su ventaja carga-masa frente a los combustibles químicos tradicionales.
El principio por el que funcionan los propulsores de iones se lo debemos al físico Hermann Oberth en 1929, pero los primeros prototipos no llegaron hasta los años 60. Desde entonces, las agencias espaciales han refinado bastante este sistema de propulsión y han dotado con él a sondas como la Deep Space 1, la Hayabusa o la Dawn. El propulsor de iones más moderno de su categoría en la actualidad es el X3 de la NASA.
El X3 es un propulsor de iones de efecto Hall. Lo que hace es emplear electricidad para crear campos magnéticos con los que ionizar pequeñas cantidades de gases como el Xenon. Los iones que salen despedidos de ese proceso son lo que genera el impulso. Se trata de un propulsor que necesita cantidades de combustible mucho más pequeñas, pero también es mucho menos potente que los motores cohete con cámara de combustión. En otras palabras, su ventaja es la eficiencia energética, pero se quedan muy cortos en aceleración. A menos que encontremos una manera de hacerlo mas grande y potente no nos servirá para viajes interestelares.
Motores de plasma (Motor VASIMIR)
El motor VASIMR nació de la imaginación del ex-astronauta de la NASA Franklin Chang Diaz en 1979. Su diseño ha pasado por el MIT y por la NASA, pero actualmente el peso de su desarrollo lo lleva la empresa privada Ad Astra en colaboración con varias agencias espaciales y centros de investigación.
¿En qué consiste el motor VASIMIR? Sus siglas corresponden a motor de magnetoplasma de impulso específico variable. Resumido en pocas palabras, es una versión en esteroides de los motores de iones. En lugar de expulsar iones para generar impulso, el motor VASIMIR emplea sustancias reactivas para generar plasma. Eso genera muchísimo más impulso, tanto como para alcanzar Marte en solo 39 días.
El proyecto no está exento de problemas. El propulsor de plasma no es suficiente para proporcionar la velocidad de escape necesaria para abandonar la órbita terrestre y solo funciona en vacío. En otras palabras, es un motor puramente espacial. Además, la cantidad de electricidad necesaria para ponerlo en marcha es tan alta que básicamente necesita de su propio reactor nuclear.
El proyecto de Ad Astra se ha enfrentado a continuos problemas y retrasos, En 2017 la NASA iba a probar un prototipo del propulsor a bordo de la ISS, pero finalmente lo canceló. En la actualidad la compañía sigue trabajando en una versión válida del propulsor apodada VX-200SS.
Velas solares
Las velas solares se cuelan por los pelos en la lista de propulsores reales que han visitado el espacio, y todo gracias a la misión IKAROS. En 2010, la agencia espacial japonesa probó por primera vez en el espacio un concepto intrigante de cara a los viajes espaciales: velas solares.
En mayo de ese año, la sonda espacial IKAROS desplegó sus velas solares de 20 metros de lado y se encaminó hacia Venus. Llegó en octubre de ese mismo año, demostrando la viabilidad de un sistema híbrido de velas solares y motores icónicos.
El principio por el que funcionan las velas solares es que, aunque las partículas de radiación solar no tienen masa, si que tienen momento, y esa magnitud ejerce la suficiente presión como para interactuar con la materia y generar un impulso leve, pero acumulable en el vacío del espacio.
En junio de 2015, la Interplanetary Society hizo realidad un concepto propuesto por Carl Sagan y lanzó al espacio la Lightsail, un pequeño prototipo impulsado por unas velas solares de 32 metros. Hasta la NASA investiga este sistema de propulsión con proyectos como HERTS, una nave de 500 kilos dotada de una estructura desplegable de cables de 20 kilómetros que la impulsan aprovechando el viento solar. De momento, es solo un concepto.
SEGUNDA PARTE: PROPULSORES EN DESARROLLO
Algunos de los propulsores de esta categoría han llegado a construirse de alguna manera, pero nunca han llegado al espacio. Se trata de prototipos en diferentes etapas de desarrollo cuya validez aún está siendo debatida.
Velas láser
El problema de las velas solares es que la radiación de las estrellas se hace muy tenue a medida que nos alejamos de ellas. Sabiendo que la luz proporciona momento, y que este momento genera un impulso si la vela es lo bastante grande, el director del departamento de estudios de propulsión avanzada de la NASA, Robert Frisbee propuso una interesante idea en el año 2000: velas láser.
El concepto de Frisbee era usar velas solares bombardeadas mediante láser para mantener la aceleración constante. Lo bueno de este sistema es que el único límite a la velocidad es el de la luz. Según sus cálculos, una nave equipada con estas velas podría alcanzar el 50% de la velocidad luz en menos de 10 años. El viaje hasta nuestro sistema vecino Alpha Centaury duraría solo unos 12 años.
¿El problema? En realidad hay varios. El primero es que las velas de la nave deberían medir 320km de diámetro. El segundo es que para que el propulsor sea efectivo, los láser con los que bombardeemos la vela deberían tener una potencia combinada de 17.000 teravatios. Eso equivale a todo el consumo eléctrico mundial en un solo día.
Finalmente está el asunto de la fricción. Aunque el medio interestelar tiene poca materia, tiene la suficiente como para que un objeto viajando a velocidades tan levadas sufra una fricción significativa. Las velas deberían estar hechas de un material increíblemente resistente o se fundirán antes de que termine el viaje.
Motores cohete termonucleares
Los motores cohete tradicionales confían en la combustión generada por reacciones químicas, pero la potencia de esa reacción tiene sus límites. ¿Y si cambiamos el propelente químico por otra cosa que genere mucho calor como, digamos, un reactor nuclear? Esa idea comenzó a desarrollarse en 1970 de la mano del proyecto NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) de la NASA.
NERVA y sus proyectos relacionados llegaron a construir cohetes nucleares funcionales, pero nunca llegaron al espacio. La tecnología era costosa y había muchas presiones mediomabientales. La negativa de Nixon de seguir adelante con el plan de llegar a Marte acabó por enterrar definitivamente el proyecto.
Aunque los cohetes nucleares nunca llegaron a despegar, lo cierto es que tenían sus ventajas. El modelo más potente desarrollado en Estados Unidos podía alcanzar Marte en solo 90 días. Recientemente, la agencia espacial rusa Roscosmos asegura estar ultimando un propulsor nuclear capaz de llegar al planeta rojo en 45 días. De momento no ha presentado más que conceptos
Propulsor de fusión nuclear magnético inercial
En el proyecto NERVA, el reactor nuclear solo es un medio de generar calor para quemar combustible tradicional. En otras palabras, el proceso es mitad nuclear y mitad químico. Recientemente, científicos de la NASA y la Universidad de Washington diseñaron un propulsor nuclear de impulso directo.
La idea es similar a la de los motores de iones, pero utilizando burbujas de plasma compuestas de deuterio, tritio, e isótopos pesados de hidrógeno. Estas burbujas son inyectadas en una cámara donde un potente campo magnético colapsa varios anillos de metal que hacen que la burbuja llegue a su punto de fusión. La energía generada en ese proceso es obligada a escapar por una tobera que es la que impulsa el motor y la nave que vaya sujeta a él. La nave necesitaría también una fuente de energía adicional para iniciar la reacción, pero bastaría con paneles solares. De momento no es más que un concepto, pero probablemente es el propulsor nuclear más eficiente y realista de los planteados hasta ahora.
Propulsor de cavidad resonante RF (EmDrive)
El EmDrive lleva años haciendo titulares en los medios de comunicación y se ha ganado el apelativo de el motor imposible. La razón de tanto alboroto es que durante décadas se ha constatado que el motor genera un leve impulso en diferentes experimentos llevados a cabo por científicos muy competentes, pero ninguno de ellos había podido averiguar de dónde procede ese impulso.
El EmDrive es una paradoja. El motor ideado por el ingeniero británico Roger Shawyer en 2006 no quema ningún tipo de combustible convencional para generar impulso. Por no tener, ni tiene partes móviles. Supuestamente transforma electricidad en impulso moviendo microondas dentro de una cámara con forma de cono truncado. Si suena exótico es porque lo es hasta el punto de contradecir las leyes actuales de la física, concretamente la ley de conservación del movimiento formulada por Newton.
En mayo de 2008, un equipo de investigadores de la Universidad de Dresde dio por fin con la clave que podría explicar el impulso generado por el EmDrive, y es que... no funciona. El impulso registrado es un error de medición producido por el campo magnético terrestre. De momento las pruebas continúan, pero hasta la fecha no se han encontrado indicios que hagan recuperar la esperanza en el EmDrive. Todo indica que el motor imposible ha muerto sencillamente porque hacía honor a su apelativo.
TERCERA PARTE: PROPULSORES TEÓRICOS
Nos internamos en territorio de la ciencia ficción. Ninguno de estos motores ha llegado a construirse jamás, aunque hay diversos estudios científicos que apuntan a que podrían funcionar. En algunos casos ni siquiera se sabe eso con certeza. Son solo un concepto científico que podría llegar a hacerse realidad, pero sencillamente nuestra ciencia no ha avanzado lo suficiente, o nadie está tan loco como para invertir en algo así... todavía.
Propulsor nuclear de pulsos (Proyecto Orión)
¿Y qué tal si hacemos explotar una bomba nuclear en el espacio para que la onda expansiva nos impulse a toda velocidad? La idea suena peregrina a más no poder, pero es exactamente lo que la agencia militar estadounidense DARPA se puso a investigar por sugerencia del físico Stanislav Ulam (Sí, el mismo Ulam que ideó el proceso Teller-Ulam de las bombas termonucleares).
El proyecto recibió el nombre en clave de Orión y comenzó a diseñarse en los laboratorios de General Atomics (la misma compañía creadora del actual drone militar Predator) en 1950.
El propulsor del proyecto Orión consistía en un sistema capaz de insertar pequeños artefactos nucleares en una cámara blindada con una única salida dirigida hacia una gruesa placa de acero unida a una serie de amortiguadores para proteger la parte tripulada de la nave. El empuje de semejante sistema se calculaba en millones de toneladas y permitía, en teoría, mover una nave de miles de toneladas hasta la órbita de Marte en solo cuatro semanas en lugar de los 12 meses que se tarda con propulsión química convencional.
Los trabajos alrededor del proyecto se extendieron hasta 1965, y se canceló no porque se pensara que era inviable, sino porque el tratado de prohibición parcial de ensayos nucleares de ese año prohibió la detonación de artefactos nucleares en el espacio. De todas maneras, se temía que las explosiones del propulsor contra la magnetosfera terrestre provocaran una lluvia radioactiva capaz de producir muertes en las zonas sobre las que cayera.
Propulsor nuclear por confinamiento inercial (Proyecto Daedalus)
La idea de un propulsor nuclear de fusión se retomó en los años 70 cuando la Sociedad Interplanetaria Británica decidió diseñar un plan para alcanzar una estrella cercana mediante una nave no tripulada en un plazo máximo de 50 años. Había nacido el Proyecto Daedalus.
El objetivo de los científicos era llegar a la estrella de Barnard, a 5,9 años luz. Los requerimientos de semejante viaje cristalizaron en la Daedalus, una sonda interestelar de 54.000 toneladas (20 veces el tamaño del cohete Saturno V) y capaz de llevar 500 toneladas de equipo de investigación. Todas las funciones de la Daedalus estaban automatizadas y guiadas por computadora. Sus creadores habían previsto algún tipo de sistema semiinteligente (algo muy parecido a la IA actual, pero que no existía en aquella época) para dirigir la nave. Una pequeña tripulación de robots dirigidos por el ordenador central se encargaría de velar por la integridad de la nave y realizar las misiones científicas a su llegada a Barnard.
El propulsor de semejante proyecto era un cohete de fusión nuclear por confinamiento inercial (ICF, por sus siglas en inglés). La idea, simplificada al extremo, no es muy diferente de la de un motor de iones, pero llevada al plano nuclear. Se trata de introducir pequeñas bolas de combustible nuclear (deuterio de litio) en una pequeña cámara de confinamiento magnético donde reciben el imapcto de alguna forma de energía como rayos láser o bombardeo de electrones. Esa energía provoca que el combustible nuclear se comprima y entre en fusión. La cámara de confinamiento del propulsor se encarga de dirigir el plasma de esa fusión hacia la salida para generar elk empuje. Con este sistema, la Sociedad Interplanetaria Británica esperaba poder alcanzar una velocidad del 16% de la de la luz y llegar a Barnard en solo 40 años.
La Daedalus se diseñó entre 1973 y 1979, pero nunca llegó a pasar del plano teórico porque crear un sistema de confinamiento inercial de fusión lo bastante potente está más allá de nuestras capacidades técnicas. Además había dudas de que la fusión del propulsor fuera suficiente para dar energía también a los sistemas de la nave como habían previsto sus creadores.
Proyecto Medusa y Proyecto Longshot
En los años 80 nacieron dos proyectos que retomaban los conceptos de la Orión y la Daedalus y los mejoraban. El primero se llamaba Medusa, y daba la vuelta literalmente a la idea del proyecto Orión. En lugar de detonar un artefacto nuclear en la parte de atrás de la nave, Medusa proponía detonarlo tras una gigantesca vela sujeta mediante cables a una nave. El esquema se entiende perfectamente en este vídeo creado por Nick Stevens.
Medusa tenía la ventaja de ser una aproximación mucho más liviana y eficiente que Orión a la idea de propulsión nuclear pulsada. Los cables eran más eficaces que los amortiguadores y la vela podía absorber muchísimo más impulso que la placa de la Orión. Entre sus inconvenientes había uno complejo, y es que la nave sujeta a la vela tenía que atravesar los restos de una explosión nuclear por lo que necesitaba un escudo contra la radiación realmente sólido.
Proyecto Longshot fue un diseño propuesto por la NASA a finales de los 80. En esencia, era una versión refinada y más realista de la Daedalus. Como el sistema ICF no era suficiente para alimentar los sistemas eléctricos de la nave, los ingenieros del proyecto añadieron un segundo reactor nuclear convencional de 300 kW. El problema era que el peso de ese componente reducía la efectividad del sistema. En cualquier caso el diseño era capaz de llegar a la estrella de Barnard en alrededor de 100 años al 4,5% de la velocidad de la luz.
Propulsor de fusión nuclear continua
Los cohetes nucleares que Rusia y Estados Unidos han desarrollado hasta ahora se basan en reactores de fisión como los que alimentan las centrales nucleares en tierra, pero ¿y si lográramos crear un motor de fusión continua?
La tecnología es la misma que la ciencia está investigando para el desarrollo de centrales nucleares basadas en fusión. Es, literalmente, la misma energía que hay en las estrellas. Consiste en una cámara aislada magnéticamente en la que se calienta un combustible (helio) hasta liberar reacciones de fusión nuclear y generar una nube de plasma a millones de grados.
Si logramos dominar esta tecnología, dispondríamos de una fuente de energía limpia y prácticamente inagotable. Actualmente hay varios diseños en pleno desarrollo (Reactores Tokamak en Francia y China, y de tipo Stellarator en Alemania) pero ninguno de ellos ha alcanzado un punto de equilibrio entre la energía que necesita para mantener el plasma incandescente y la que genera. Su aplicación como propulsor es incierta hasta que no se resuelva su uso como generador de energía.
Bussard Ramjet
Los ramjet o estatorreactores son un tipo de propulsores a reacción experimentales que carecen de compresor o turbina. Lo que hacen es absorber, comprimir y calentar el aire por efecto de la presión dinámica. Para funcionar, eso sí, hay que acelerarlos mediante un motor convencional porque lo que los hace funcionar es la velocidad.
En el espacio no sería posible usar un ramjet porque no hay aire ¿verdad? En realidad eso no es del todo cierto. El vacío del espacio no está completamente vacío. En el medio interestelar hay cierta cantidad de hidrógeno, y ese hidrógeno fue lo que le dio la idea al físico estadounidense Robert W. Bussard para idear el Bussard Ramjet.
El estatoreactor Bussard es muy célebre porque aparece en numerosas novelas de ciencia-ficción y hasta se menciona en Star Trek. El concepto de Buzzard consistía en una nave con una especie de paraguas en la parte delantera. Ese paraguas sirve para recolectar los átomos de hidrógeno que después se convierte en combustible nuclear para un propulsor de fusión no muy diferente del de la Daedalus.
El problema del Bussard Ramjet es que en el espacio hay tan poco hidrógeno que se calcula que el paraguas debería ser del tamaño de un planeta enano (miles de kilómetros de diámetro). Recientes cálculos hechos por el ingeniero aeroespacial Robert Zubrin también apuntan a que incluso con la poca materia que hay en el espacio, la resistencia de las partículas contra un paraguas de semejante tamaño anularían el impulso del motor de fusión.
Con el tiempo, distintos científicos han propuesto soluciones al Bussard Ramjet. La más ingeniosa es ionizar los átomos de hidrógeno y utiizar una rejilla magnética para atraerlos sin oponer tanta resistencia. Con ese diseño, el paraguas recolector podría ser más pequeño, pero el concepto general de la nave sigue siendo más ciencia ficción que otra cosa.
Propulsor de antimateria
De media, la fusión nuclear convierte el 1% de su masa en impulso. Es el segundo sistema más eficiente de los que conocemos. El primero es una sustancia tan rara que todavía no hemos logrado fabricarla en cantidad suficiente: la antimateria.
La antimateria está formada por antipartículas idénticas a las que forman la materia que conocemos (protones, electrones, etc...) pero con carga eléctrica opuesta. También es extraordinariamente energética. Su contacto con materia provoca una reacción que emite fotones de alta energía. Se calcula que su relación masa-impulso es del 40%. En 2006, el laboratorio de investigación positrónica del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC) diseño un concepto de propulsor basado en antimateria. Los físicos calcularon que bastarían 10 milésimas de gramo de antimateria para enviar una nave a Marte en solo 45 días.
¿El problema? La antimateria se genera en los aceleradores de partículas y hasta la fecha no hemos generado ni remotamente esa cantidad de material.
Propulsores Warp (Motor de Alcubierre)
Cerramos la lista de propulsores que aún son más ficción que ciencia con el más exótico de todos: el motor Warp. En teoría, sería la manera ideal de viajar por el espacio, porque no solo es más rápido que la luz, sino que eliminaría el problema de dilatación del tiempo expuesto en la teoría de la relatividad de Albert Einstein.
¿Cómo se viaja más rápido que la luz de un punto a otro? La respuesta es que no se viaja. Lo que se hace es curvar o distorsionar el espacio tiempo de manera que los puntos de origen y destino se aproximen durante el tiempo necesario como para la nave los alcance.
Vale, y ¿cómo demonios distorsionamos el espacio-tiempo? Pues generando una burbuja de deformación plana alrededor de la nave espacial. Esa burbuja hace que el espacio-tiempo se extienda tras ella y se contraiga delante, generando el impulso aunque la nave en sí está estacionaria. Todo este modelo matemático se denomina Métrica de Alcubierre en honor al físico mexicano Miguel Alcubierre, que postuló el modelo en 1994. El propio Alcubierre explica así lo que haría falta para generar una burbuja espacio-temporal:
Para crear un dispositivo como una burbuja de deformación que permita el impulso de deformación se requeriría operar con materia de densidad negativa o materia exótica, creando así con tal materia una burbuja de energía negativa que englobaría a toda la nave.
En 2016, los físicos británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitzal, recibieron el Premio Nobel de Física por sus estudios teóricos sobre la materia exótica. En otras palabras. Apenas acabamos de descubrirla, así que no parece probable que vayamos a construir un motor de Alcubierre próximamente. Eso no quita que no lo estamos investigando. Físicos como Harold White, de la NASA, trabajan en instrumentos para medir el impulso calculado por Alcubierre. Mientras tanto, colaboran con artistas como Mark Rademaker para imaginar cómo sería una nave equipada con ese motor capaz de superar la velocidad de la luz. El sueño de viajar a otras galaxias sigue muy vivo. Hacerlo realidad es solo una cuestión de tiempo, o más bien de espacio-tiempo.
Foto de portada: Primer plano de un propulsor de iones en el centro de investigación de la NASA en Pasadena. Foto: NASA/JPL-Caltech