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Ascensor espacial , una escalera que lleva al cielo

Ascensor espacial , una escalera que lleva al cielo¿Quién no ha soñado, en alguna ocasión, con construir una escalera que lleve al cielo?

Arthur C. Clarke ya nos habló en “Las fuentes del paraíso” de esos ascensores capaces de comunicar la Tierra con el espacio, máquinas con un mecanismo lo bastante poderoso como para alcanzar la órbita terrestre sin tener que utilizar un cohete o un transbordador espacial. ¿Puede ser esto posible?

Para conseguirlo necesitaríamos un anclaje situado lo más cerca posible del Ecuador para poder desplegar un cable de 35.786 km de largo, una tecnología tan revolucionaria como futurista mediante la cual subir y bajar cargas, naves y personas; un sueño que el ingeniero ruso Yuri Artsutanov empezó a definir y a moldear en su cabeza allá en 1960 mediante un artículo en el diario ruso “Pravda”.

Sueño, quimera o ilusión, el ascensor espacial es un concepto que los japoneses han propuesto convertir en realidad, y más aún, han dado fecha: 2050.

Y no lo digo en el sentido en que se recoge la idea en el libro del Génesis, donde la osadía del hombre se vio castigada por Dios (en el pasaje correspondiente a la torre de Babel) y a partir de aquel desdichado momento todos empezamos a hablar en lenguas diferentes en las distintas partes del mundo.

La materialización del futuro ascensor espacial podría marcar el comienzo de una nueva era en la exploración espacial

Un equipo de expertos en astronáutica acaba de publicar un controvertido informe donde evalúan la viabilidad económica y tecnológica para construir un ascensor espacial conectado de forma permanente con la Tierra.

Aunque suene a ciencia ficción, parece que el comité de expertos de la Academia Internacional de Astronáutica –IAA– ha tomado cartas en el asunto y planea sustituir la insostenible tecnología de los cohetes espaciales por un nuevo sistema de transporte basado en un cable de gran resistencia y una cabina de transporte para material y personas.

No, me refiero a cosas más científicas, con beneficios tecnológicos, como pueden ser el transporte de cargas pesadas al espacio y colocarlas en órbita, el establecimiento de observatorios espaciales a gran altitud, el reabastecimiento de energía o materiales a satélites o el lanzamiento de naves espaciales hacia los planetas exteriores de nuestro sistema solar, por poner unos cuantos ejemplos.

Según el informe, el actual sistema de lanzamiento de cohetes de propulsión al espacio requiere un despliegue de medios técnicos y económicos elevados y que no siempre va en consonancia con la importancia de la misión.

Por citar algunos datos, poner en órbita un pequeño satélite requiere cohetes de propulsión, donde el 80 por ciento de la masa es combustible, el 14 por ciento estructura y sólo el 6 por ciento carga útil. Además, esta tecnología no es reutilizable. Una vez lanzado el cohete, éste se descompone en mil pedazos arrojando gran parte de los productos químicos de la propulsión a la atmósfera.

Verán. La historia de un ascensor espacial, tal y como denominamos hoy en día a semejante escalera, comenzó allá por los últimos años del siglo XIX, cuando uno de los pioneros de la astronáutica, el ruso Konstantin Tsiolkovsky propuso la idea por vez primera.

Evidentemente, en aquella época la idea de semejante dispositivo quedó en poco menos que una quimera, hasta que nada menos que 65 años después, otro ruso, el ingeniero Yuri Artsutanov volvió sobre el asunto en el año 1960.

Sin embargo, tampoco en esta ocasión cuajó la idea. Y, claro, tuvieron que ser los norteamericanos quienes rescataran el concepto del ascensor espacial para que el tema comenzase a conocerse por el largo y ancho mundo.

En 1975, un tal Jerome Pearson volvió a la carga con algo más de éxito que sus predecesores. Pero sería Arthur C. Clarke, en 1978, con una novela de ciencia ficción (¡cuántas cosas buenas ha hecho este glorioso género literario por la humanidad!) quien le diese el empujón definitivo al proyecto y el que llevaría al gran público a conocer la idea del ascensor espacial.

El relato se titulaba The Fountains of Paradise (Las fuentes del paraíso, 1978) y había sido publicado unos meses antes que otro que abordaba la misma temática, firmado en esta ocasión por Charles Sheffield, bajo el título The Web Between the Worlds (La telaraña entre los mundos, 1979).

Aunque el ascensor espacial cautivó la imaginación del público, no sucedió lo mismo entre la comunidad científica y, de nuevo, el proyecto fue abandonado.

La causa principal de este abandono era que, aunque físicamente realizable, no se disponía de material alguno con la suficiente resistencia como para soportar las enormes tensiones a las que debería someterse el cable que constituyese el ascensor.

Pero llegó, al fin, el año 1991. Y un descubrimiento asombroso cambiaría la historia del ascensor espacial para siempre. Ahora, el proyecto era viable porque la física de materiales había encontrado el material capaz de hacer realidad el sueño.

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Desde entonces, la escalera entre los mundos ha hecho acto de presencia en infinidad de obras de ciencia ficción, tanto en novelas como cómics, manga, videojuegos y, por supuesto, en el cine.

Por citar únicamente un par de muestras, os diré que en la célebre trilogía de Marte (formada por Marte rojo, Marte verde y Marte azul), de Kim Stanley Robinson aparecen los ascensores espaciales, así como en el episodio titulado "Rise", correspondiente a la serie de televisión Star Trek Voyager.

Antes de conocer la sustancia de la que podría estar hecho el sueño, intentaré proporcionarles unas breves pinceladas sobre la física involucrada en el diseño y construcción de un ascensor espacial propiamente dicho. Bien, comenzaré por definir lo que se entiende comúnmente por ascensor espacial.

En términos sencillos, se trata de un cable con uno de sus extremos anclado en un punto cercano al ecuador terrestre (también puede ser en otro cuerpo celeste, tal como un asteroide, satélite natural o planeta) y el otro situado en el espacio, normalmente más allá de la distancia a la que se encuentra la órbita geosincrónica.

La tensión del cable a lo largo de toda su longitud debe ser tal que se mantenga compensada en todo momento por el peso del cable y por la fuerza centrífuga debida al movimiento de rotación terrestre (ésta es una fuerza ficticia que aparece debido a que estamos describiendo el movimiento del cable en un marco de referencia no inercial).

Si nos centramos en un elemento cualquiera del cable, éste está sometido siempre a la acción de cuatro fuerzas.

Dos de ellas tiran de él hacia abajo, que son su propio peso y la tensión de la porción de cable comprendida entre él y el punto del ecuador donde se encuentra fijado el extremo terrestre del ascensor.

Las otras dos fuerzas tiran del elemento hacia arriba y son, asimismo, la tensión de la porción de cable comprendida entre el elemento considerado y el punto del espacio hasta donde se extiende el cable y la fuerza centrífuga de rotación terrestre, respectivamente.

Bajo la acción de estas cuatro fuerzas, cualquier elemento del cable que constituye el ascensor espacial se encuentra en equilibrio.

Un objeto situado a la altura de la órbita geosincrónica de la Tierra permanecerá en todo momento situado sobre un punto fijo del ecuador de nuestro planeta. Esto se debe a que justo a dicha altura, de unos 35.880 km, el peso del objeto queda exactamente compensado por la fuerza centrífuga.

Un punto del cable del ascensor espacial situado justamente allí deberá estar sometido a dos tensiones exactamente iguales, una tirando de él hacia la Tierra y la otra hacia el espacio exterior.

Sin embargo, por debajo de la órbita geosincrónica, el peso es superior a la fuerza centrífuga, lo cual provoca que la tensión que tira hacia arriba del cable sea superior a la que tira de él hacia abajo, ocurriendo todo lo contrario en la porción del cable que se extiende hacia el espacio a partir de la misma órbita geosincrónica.

La consecuencia lógica de lo anterior es que la tensión en el cable aumenta continuamente desde un valor nulo en el suelo hasta llegar a la altura geoestacionaria, para disminuir progresivamente desde allí hasta un nuevo valor nulo en el extremo opuesto del mismo.

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Tal y como podemos observar en el gráfico adjunto, el sistema consiste básicamente en una conexión permanente con el espacio mediante un cable orbitando a 62.000 kilómetros de la Tierra, en la denominada órbita geosíncrona.

Según el esquema teórico propuesto por los científicos, esta órbita mantiene el mismo periodo orbital que el periodo de rotación sideral de la Tierra.

Por tanto, anclando dicho cable en algún punto del ecuador y colocando en el otro extremo un contrapeso orbitando con el mismo periodo de rotación de nuestro planeta, se conseguiría estabilizar el cable contrarrestando la fuerza de la gravedad.

Para la construcción del cable de transporte espacial de 62.000 kilómetros, los ingenieros sugieren el uso de los nanotubos de carbono desarrollados en la década de los 90, por su flexibilidad, ligereza y alta resistencia.

De hecho, un informe reciente del IAA confirma que se están ensayando cables con distintos materiales de gran resistencia y los resultados obtenidos prometen una cable de gran resistencia capaz de soportar las tensiones estructurales y ambientales de servicio.

Con estas ideas en mente y suponiendo que tanto la densidad del cable es constante como que su sección transversal es uniforme, se puede llegar a obtener tras un cálculo elemental (al menos para los que sepan evaluar una integral) la longitud que debe tener el ascensor espacial.

Así, éste debe extenderse hasta una altura por encima del ecuador de casi 145.000 km, es decir, algo menos que la tercera parte de la distancia que nos separa de la Luna.

Pero esto no es todo, ya que de manera análoga se estima el estrés o esfuerzo de tensión que puede soportar el material del que esté hecho el cable y resulta ser, para el acero, de unos 380 GPa (1 gigapascal son mil millones de pascales, es decir, mil millones de newtons por metro cuadrado).

Este valor, a primera vista, puede parecer carente de significado, pero si os digo que supera en un factor 1500 al valor de su límite elástico, probablemente comprenderéis por qué un material como el acero resulta del todo inviable a la hora de llevar a la práctica el ascensor espacial.

Otros materiales, como el kevlar, por ejemplo, pueden mejorar los resultados, pero no lo suficiente. Se requieren, pues, soluciones más originales.

Bien, dicha solución pasa por diseñar un cable con una sección transversal no constante, es decir, que sea distinta a lo largo de toda la longitud del ascensor de forma que la tensión en todos los puntos sea la misma, a diferencia del diseño que habíamos tratado en primer lugar, donde la sección del cable era uniforme y, por tanto, la tensión variaba de unos puntos a otros del mismo.

Modificando ligeramente los cálculos llevados a cabo para el cable de sección uniforme se puede llegar a la expresión que proporciona la variación del área de la sección transversal.

Ésta resulta ser una función de tipo exponencial cuyos valores van aumentando rápidamente desde el anclaje situado en un punto del ecuador terrestre hasta la órbita geoestacionaria, donde alcanzan el máximo, para luego decrecer de nuevo progresivamente.

Si en la anterior función exponencial imponemos la condición de que el área del cable sea idéntica en sus dos extremos, se llega de nuevo a la conclusión de que la longitud total del ascensor es exactamente la misma que para el caso de sección constante (el que describimos en la entrada anterior), es decir, unos 144.000 km.

Esto, en principio, no parece ser un gran avance, ya que nuestro cable debe ser exactamente de la misma longitud en ambos casos.

Sin embargo, hay una diferencia fundamental y es que hemos sustituido un cable con sección transversal uniforme en el que la tensión que soporta cada punto del cable es distinta por otro en el que la sección transversal es variable para mantener justamente uniforme la tensión a lo largo de su longitud.

Y solamente este hecho va a resultar crucial a la hora de llevar a la práctica la idea del ascensor espacial.

Verán, si continuamos exprimiendo la expresión que proporciona la variación de la sección del cable con la altura, y calculamos el cociente entre los valores de la misma para un punto situado en la órbita geoestacionaria y para otro situado en tierra, enseguida resulta evidente que dicho cociente depende de un parámetro denominado longitud característica (y que viene dado, esencialmente, por el cociente entre la tensión máxima que soporta el material del cable y la densidad de éste).

El valor de esta longitud característica para el acero es de 65 km y para el kevlar 255 km, de tal forma que la sección transversal del cable debe ser 1600 millones de cuatrillones de veces más grande a la altura de la órbita geosíncrona que en cualquiera de sus extremos (para el acero) y tan sólo (sic) 250 millones en el caso del kevlar.

Lo anterior significa que si en el punto de anclaje el cable presenta una miserable sección de 1 centímetro cuadrado, a 35.880 km de altura debe tener 25.000 metros cuadrados, para el caso en que esté hecho de kevlar. Para el acero, mejor ni pensarlo. Moraleja: estos materiales no sirven.

¿Qué necesitamos entonces? Parece evidente que un material que posea una densidad relativamente baja y una gran resistencia a las tensiones, con el objetivo de que su longitud característica sea lo más grande posible.

¿Existe un material así? Pues parece ser que sí. Allá por el año 1991, el japonés Sumio Iijima publicaba un artículo en la prestigiosa revista Nature titulado "Helical microtubules of graphit carbon".

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Allí describía las propiedades de una de las cinco formas alotrópicas del carbono, más conocida por nanotubo.

En efecto, los nanotubos de carbono presentan una densidad ligeramente por debajo de la del kevlar pero, en cambio, 6 veces inferior a la del acero; su resistencia máxima a la deformación supera también en un factor de 26 al primero y de 36 al segundo; finalmente, la longitud característica es de 10.200 km, es decir, 157 veces la del acero y 40 la del kevlar.

De esta forma, la sección transversal del cable a la altura de la órbita geoestacionaria únicamente debe superar en un factor 1,6 a la existente en los extremos, algo que ahora sí que es perfectamente factible.

Bien, una vez resuelta (al menos hasta que analicemos los problemas implicados) la cuestión del material, resta por considerar el asunto de la masa del ascensor.

Es evidente que cuanto mayor sea la longitud del cable, tanto mayor será su masa. En consecuencia, no resulta descabellada la idea de reducir en lo posible aquélla.

Para llevar a cabo semejante propósito, la idea más ampliamente aceptada consiste en situar en el extremo libre del ascensor espacial un contrapeso.

Al estar éste más allá de la órbita geosincrónica, la fuerza centrífuga (recordad que estamos describiendo la dinámica desde un sistema de referencia no inercial) a la que está sometido es mayor que la fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra, manteniéndose en su órbita gracias a la tensión ejercida por el cable del ascensor espacial.

Pues bien, si volvemos a aplicar la segunda ley de Newton, ahora al contrapeso, y suponemos que éste se sitúa a una cierta distancia, más allá de los 35.880 km, se llega a una expresión para la masa que debe poseer dicho contrapeso.

Unos numeritos esclarecedores nos pueden dar una idea de lo que estamos hablando. Obvio deciros que cuanto más cerca queramos situar el contrapeso de la órbita geoestacionaria, tanto mayor será en consecuencia la masa requerida.

Así, para valores típicos de la densidad del material (1,5 veces la del agua), una tensión máxima del cable de unos 100 gigapascales y una sección del mismo (en el punto de anclaje con la tierra) de 0,15 millonésimas de metro cuadrado (Les recuerdo que son NANOtubos de carbono), la cual lo hace adecuado para soportar un elevador de una tonelada, aproximadamente, se requiere una longitud del cable de 100.000 km (casi hemos reducido su longitud en un 30 %).

Una vez evaluada la posibilidad de materializar el cable y asegurar su estabilidad en el espacio exterior, la investigación se centra en estudiar si los nanomateriales empleados en la construcción del cable resistirían el ascenso de la cabina de transporte.

La expectación generada por las nuevas formas de transporte espacial ha alimentado todo tipo de iniciativas acerca de la construcción de máquinas como el ambicioso proyecto de Kickstarter para la construcción de un vehículo de transporte entre la Tierra y la Luna.

No obstante, queda mucho por hacer y es posible que tardemos 25, 50 o incluso 100 años en ver el ascensor espacial u otro sistema alternativo de transporte, pero no hay duda que las principales agencias espaciales del mundo acogerán con los brazos abiertos cualquier iniciativa que reduzca los costes técnicos y económicos de la exploración espacial.

Asimismo, la proporción entre el área de la sección transversal del cable en el suelo y a la altura geosíncrona será ahora de 4,3. Finalmente, la masa del contrapeso ascenderá hasta los 53.000 kilogramos y la del cable del ascensor espacial hasta los 98.000. Ya queda menos…


El proyecto del ascensor espacial.

Hasta hace poco los ascensores espaciales eran un ingrediente esencial en las novelas y películas de ciencia ficción, se necesitaría un cable tremendamente poderoso y provisto de unos contrapesos en cada extremo, mediante los cuales, el centro de la masa mantuviera elevada la órbita geoestacionaria.

Pero no olvidemos que la Tierra rota, para ello debe asegurarse que el cable se mantenga a salvo y lo bastante distanciado de esta fuerza centrífuga contrarrestando la fuerza gravitacional. Entonces,

¿Cómo conseguirlo?

Nanotubos de carbono. Ya hablamos de este increíble material en supercurioso, y es que son ellos y su increíble composición molecular los únicos que serían capaces de soportar la enorme tensión de esos grandes pesos; es más en la NASA afirman que sería posible fabricar los ascensores para dentro de treinta o cuarenta años y que su costo sería menor que lo invertido en la Estación Espacial Internacional.

Las agencias europeas y japonesas se hallan también trabajando ya en sus propios diseños, siendo éstos últimos, los japoneses, quienes se han atrevido a dar una fecha definitiva: 2050.

Según los nipones, se tratará de una estructura de 36.000 km de alto donde poder enviar materiales, cargas y astronautas directamente al espacio. 

Se necesitarán exactamente 100.000 km de nanotubos de carbono para que poco a poco podamos colonizar nuestra órbita terrestre, pero es sin duda una realidad factible y cercana que, según la directora del proyecto, Satomi Katsuyama, ya no será una quimera digna solo de los libros de Clarke o de esos videojuegos donde nuestros sentidos se acostumbran a moverse entre lo improbable científicamente, porque tal y como dijo el propio Clarke: “Para conocer los límites de lo posible hay que aventurarse un poco más allá, y rozar lo imposible”

Funcionamiento y competidores.

La empresa Obayashi, encargada del proyecto, nos comenta que la cabina del ascensor viajará a unos 200 km por hora y que tardará aproximadamente 7 días en alcanzar la órbita. 

Pero eso sí, existen otras industrias interesadas en avanzarse a los nipones, de ahí que Virgin Galactic se halle ahora mismo haciendo grandes inversiones para desarrollar su propia tecnología en materia de ascensores y cohetes espaciales, sea como sea, el optimismo por este proyecto es más que factible, un desafío de dimensiones titánicas que a pesar de los obstáculos está tomando forma poco a poco; sólo esperemos que los resultados sean completamente exitosos y estén a la altura de nuestros sueños…

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Fuentes: P.K. Aravind, The physics of the space elevator, American Journal of Physics, 75(2), 2007.
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