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| Mar Vaquero, en su trabajo |
Y, ¿para qué, podréis pensar? Pues muy sencillo: comprender cómo se diseñan las trayectorias de las naves espaciales. Porque no tiene nada que ver con lo que vemos en las pelis. No se necesita a gente intrépida, que vuelen "por instinto" ni dejen que la Fuerza les acompañe. Ni tampoco a la Cofradía de Navegantes y sus pilotos adictos a la Especia. Lo que se necesita es a gente brillante como Mar Vaquero.
EXPLICACIÓN DEL PROBLEMA
Bien, en primer lugar tenemos que entender el problema al que nos enfrentamos. . Bueno, al que se enfrentan ella y los demás ingenieros de vuelo de las agencias espaciales.Ese es el objeto de esta primera parte.
Se trata de lo siguiente: estamos en La Tierra y queremos enviar un objeto hasta que se quede orbitando, digamos, alrededor de un planeta lejano como ´Plutón (para mí será siempre un planeta por más que lo hayan rebajado a planetoide). Los sistemas de propulsión que conocemos se basan en llevar combustible líquido y hacerlo explotar para que la expulsión de los gases provoque un empuje en el "objeto". Esta propulsión no solo se aplica en la dirección del avance, sino en otros planos, para poder desplazar la nave en otros ejes.
Bueno, pues, el combustible pesa (ver foto del cohete), y hace falta mucho para poder escapar de nuestro planeta, por lo que cualquier nave que se diseñe tiene una capacidad muy limitada de portar combustible. A efectos práctivos, una nave lanzada al espacio se movería por él gracias al "empujón" inicial del lanzamiento. El poco combustible que pueda llevar después es para hacer correcciones en la trayectoria (como veremos) o para el regreso, si su misión el regresar. Nótese que esto es contrario a nuestra experiencia cultural que hemos recibido a partir de las películas, donde vemos a naves despegar majestuosamente sin ningún esfuerzo y muy ligeritas de combustible, o cuando se muestran naves con los motores continuamente encendidos, o maniobrando como si fueran aviones de caza en la atmósfera terrestre.
Lanzar una nave al espacio hoy en día no es muy diferente a lanzar una piedra con un brazo muy muy fuerte. Solo que además hay que tener una puntería tremenda para llegar al planeta elegido sin pasar de largo, ya que no se puede dar "marcha atrás".
Para entender cómo se mueven estos objetos que lanzamos al espacio, echaremos mano de nuestra experiencia cotidiana. Como los ingenieros de vuelo usan la física de Newton y no la de Einstein para analizar la dinámica de la gravedad, no resulta muy complicado. Recordemos sus leyes:
a) La fuerza F que sufre un cuerpo de masa m, le provoca una aceleración "a" tal que F=m x a.
b) Si un cuerpo no sufre ninguna fuerza externa o estas están en equilibrio, el cuerpo permanece en reposo si ya lo estaba, o bien su movimiento pasa a ser rectilíneo y sin cambios en su velocidad.
c) Si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre uno B, resulta que B también ejerce una fuerza igual, y de sentido opuesto, sobre A.
Recordemos también lo que son las magnitudes escalares y las vectoriales. Una magnitud escalar es aquella que para definirse necesita sólo un valor numérico. Por ejemplo, la temperatura de un cuerpo.
Una magnitud vectorial queda definida con un valor numérico, una dirección y un sentido. Por ejemplo, la velocidad, o la fuerza. La gravedad ejerce sobre un cuerpo de masa m una fuerza F de valor m x g, en dirección vertical y sentido hacia el centro de La Tierra. Cualquier cambio en estos parámetros hace que la fuerza no sea la misma. Las magnitudes vectoriales se representan con una flecha.
Bien, todo esto es de 2º de BUP (4º de ESO).
Ahora sigamos con Newton. En su modelo gravitatorio, define que la fuerza gravitatoria que atrae a dos cuerpos el uno hacia el otro (recordemos la ley del punto c) tiene de valor F= G m1 x m2 /d^2.
m1 y m2 son las masas de ambos cuerpos, G es la constante gravitatoria y d es la distancia que los separa.
Y esto es todo lo que necesitamos. De hecho, lo hemos sabido desde el bachillerato. Y para seguir, engarzaremos todos estos conocimientos en un ejercicio paso a paso. Desde ahora somos ingenieros de vuelo y nos van a encargar una serie de misiones, un poquito más complicadas cada vez. Empecemos pues con el...
PRIMER LANZAMIENTO: LA TIERRA SOLA EN EL UNIVERSO.
Imaginaremos que nuestro planeta está solo en el espacio y que desde él lanzamos un cohete. Bien, cuando el cohete se enciende, y mientras permanece así, el cohete sufre una fuerza de impulsión En el sentido opuesto actúa la fuerza gravitatoria del planeta. La fuerza de impulsión debe ser mayor que el peso del cohete para poder acelerarlo hasta la velocidad necesaria para escapar de la gravedad terrestre, la "velocidad de escape". Cuando el cohete ha "escapado", los motores se apagan y los depósitos vacíos se desprenden, puesto que ya son inútiles. En ese momento, ya no sufre fuerzas externas: ni la gravedad terrestre le atrae (de forma reseñable) ni es propulsado. Está en equilibrio. Y según la ley del punto b), el cohete se sigue su avance con movimiento rectilíneo y uniforme, con la velocidad que tenía en el momento justo en el que se apagaron los motores. Y la Física nos dice que si no aparecen otras fuerzas, el cohete seguirá moviéndose así hasta el fin de los tiempos.
Cuanto más grande es el planeta, más "profundo" es el agujero, es decir, más fuerte es su gravedad, y más difícil es escapar de ella.
Bueno, pues el lanzamiento de nuestro cohete se vería como si una bolita fuera lanzada con un tirachinas desde el fondo. Si la fuerza es insuficiente, la bolita no podrá salir del agujero (es decir, la gravedad terrestre). Si la lanzamos con fuerza, la bolita hará su aparición sobre al mesa por el borde del agujero, y seguirá en línea recta por la mesa, hasta el fin de los tiempos. Pues sí, resulta que nuestra mesa es infinita y sin rozamiento.
SEGUNDO LANZAMIENTO: LA TIERRA Y OTRO PLANETA
Supongamos ahora que tenemos dos planetas inmóviles entre sí y lanzamos una nave desde uno hasta otro. Pues volviendo a nuestra mesa infinita, tendremos dos "agujeros" en forma de embudo en ella, inmóviles. Por uno de ellos aparecerá nuestra bolita, rodará en línea recta y, si hemos apuntado bien, la bolita desaparecerá por el otro agujero.
¿Qué ha pasado? Bueno, podríamos pensar que hemos tenido éxito en el lanzamiento de la bolita, pero la verdad es que acabamos de estrellar nuestra carísima nave sobre la superficie de otro planeta. Hace falta una especie inteligente para diseñar misiones espaciales, pero esta misión en sí no es muy inteligente. Paradójico.
Venga, en el tercer lanzamiento lo haremos mejor.
TERCER LANZAMIENTO: ESTA VEZ SALVAREMOS LA NAVE
Este ejemplo requiere recordar algo. Sabemos ya que la velocidad y la aceleración son magnitudes vectoriales. Sabemos que si un cuerpo se desplaza en un sentido, y sufre una aceleración positiva en el mismo sentido (por ejemplo, encendemos un motor), ese cuerpo irá incrementando el valor de su velocidad sin cambiar su dirección ni sentido. Pero, ¿qué ocurre si un cuerpo sufre una fuerza (y por lo tanto, una aceleración, ya que F= m x a) en una dirección diferente a la de su vector velocidad?
Pues ocurre que dicho vector velocidad cambia, no solo de valor, sino también de dirección.
Por ejemplo, vamos patinando en línea recta y al pasar junto a un poste nos agarramos a él. En ese momento, sufrimos una fuerza perpendicular a nuestra velocidad, y dejamos de movernos en línea recta para pasar a movernos en una trayectoria curva, concretamente un círculo.
Bien, juguemos con esta idea. Supongamos que, a pesar de nuestra estúpida misión anterior, nos dan dinero otra vez para lanzar otra nave. Esta vez necesitamos que sobreviva al viaje y haga fotos de la superficie.
Recordemos que la nave ya no tiene más combustible y no puede detenerse en el espacio, ya que
tarde o temprano acabará cayendo en algún planeta sin poder evitarlo. Y nos despedirían. Lo que hay que hacer es dejar la nave en órbita estable alrededor del segundo planeta. Una órbita tal que pueda mantenerse indefinidamente sin más encendido de motores. ¿A que ahora la cosa se complica?
Si lanzamos el cohete según la trayectoria 1, directa al agujero tenemos el lanzamiento anterior, un desastre. Si ya no apuntamos al planeta, sino a un punto alejado, la bolita no entrará en el agujero del segundo planeta, sino que seguirá hasta el infinito, como en el primer lanzamiento (trayectoria 2).
Si lanzamos en la trayectoria 3, es decir, una dirección y velocidad tales que la bolita sí entre en el agujero, pero demasiado rápido, la gravedad (es decir, la pendiente del agujero), como actúa en dirección "hacia el centro del agujero", que no es la misma que la de la velocidad, hará que la bolita cambie su dirección, pero podrá escapar del agujero y seguirá hasta el infinito. En este caso, hemos conseguido cambiar su dirección de movimiento sin gastar combustible (quedaos con este dato), ojo. Pero al final se nos va.
Si usamos la trayectoria 4, lanzamos la bolita en la misma dirección, pero demasiado lento. Entonces la bolita entrará en el agujero y comenzará a caer por él dando vueltas en espiral, cada vez más adentro. Cuando llegue abajo del todo, chocará con el planeta. Otra vez mal.
¿Veis lo difícil que es todo esto? Pues bien, lo que hay que hacer es lanzar la bolita en la dirección y velocidad tales que cuando entre en el agujero gravitatorio del segundo planeta, quede dando vueltas de forma estable. Se puede demostrar que esto es físicamente posible. Lo difícil es calcular la velocidad y dirección justas para conseguir eso.
Ese, precisamente ese, es el papel de ingenieros de vuelo como nuestra admiradísima Mar Vaquero.
Pero, esperad, que la cosa es un poco más difícil todavía.
CUARTO LANZAMIENTO: EL SISTEMA SOLAR
Supongamos ahora que tenemos nuestro sistema solar, pero inmóvil en el universo, y que queremos llegar bien lejos, a Plutón, pero en la trayectoria más directa tenemos a, qué se yo, Saturno, por lo que tenemos que hacer un lanzamiento "curvo". Como tras el lanzamiento ya no tenemos combustible, hay que calcular el lanzamiento adecuado para usar los demás planetas para ir cambiando la dirección y velocidad de tal manera que evite los obstáculos y llegue a Plutón con la dirección y velocidad justas para que quede en órbita estable. La nave tendría que usar los agujeros gravitatorios de los demás planetas para trazar una curva más o menos compleja cambiando la dirección adecuadamente. Os pongo un dibujo de la hipotética situación.
Uff, el cálculo de esta trayectoria se complica.
QUINTO LANZAMIENTO.
Pues ahora viene lo verdaderamente jodido: imaginemos el caso anterior, pero con todos los planetas en movimiento. Toda nuestra mesa estaría llena de agujeros gravitatorios en movimiento, y tendríamos que enviar nuestra bolita, entrando y saliendo de los agujeros mientras se mueven, hasta llegar a su destino. Es algo verdaderamente complicado, ¿verdad? Y todavía lo es más, porque en realidad algunas sondas se construyen con motores y algo de combustible para poder hacer maniobras. Pero claro, cuando te alejas, las órdenes se mandan por ondas electromagnéticas y, por ejemplo, a Saturno tardan 60 horas en llegar. Figuraos las dificultades de las que hablamos. Y claro, luego están los planetas con satélites, que en el caso de Júpiter y Saturno, nos son muy atractivos. Y claro, las distancias son tan grandes que hay que esperar a "ventanas adecuadas de lanzamiento", que son los momentos en los que los planetas objetivo están en el momento a adecuado para que nuestra nave se encuentre con ellos de la manera más favorable, ya sea porque están más cerca o porque no hay otros planetas en la ruta. Todo es más complicado en la realidad.
Pues ese es el trabajo de la gente que diseña las trayectorias de sondas, cohetes y transbordadores. Concretamente la Cassini, la última misión en la que Mar Vaquero ha trabajado, y cuyo éxito en gran parte, sobre todo de su última serie de misiones, se ha debido a ella, ha hecho el siguiente viaje:
a) Se lanzó hacia Júpiter y se infló a tomarle fotos.
b) Se alejó de Júpiter en dirección a Saturno y sus satélites, programándose un vuelo rasante sobre la luna Febe.
c) Entró después en la órbita de Saturno tal que en su movimiento hacía pasadas rasantes sobre Titán.
d) Entre tanto, descubrió dos lunas de Saturno, desconocidas hasta ahora, bautizadas como Metone y Palene, y otro pedrusco pequeñito en el lado interior de los anillos bautizado como Peggy.
e) Sobrevoló la luna Encélado y encontró un océano en él donde es posible que exista vida.
d) Volvió finalmente a la órbita de Saturno, y tras 17 años y tres misiones adicionales, estando la última parte a los mandos Mar Vaquero. Entonces, para evitar que su batería nuclear pueda afectar a cualquier posible vida existente en Titán o en la luna Encelada, pusieron a la Cassini en una trayectoria que la lleva a dar quince majestuosas órbitas alrededor de Saturno antes de desaparecer para siempre estrellándose contra él.
Bueno, pues en este artículo hemos explicado en qué consiste el trabajo de Mar Vaquero y otros ingenieros de vuelo. En la próxima entrega veremos por qué la tesis de Mar la llevó a su actual puesto y por qué es tan interesante. Porque la señora Vaquero ha aportado mucho a la navegación espacial, y ya está trabajando en su siguiente misión.
