¿Cómo saldremos de Marte?

Cuando los ingenieros de la NASA observan a Marte, ven a una dionea atrapamoscas del tamaño del planeta.

Nos atrae con la promesa de descubrimientos científicos, pero en el momento en que aterricemos allí, la gravedad y un clima severo conspirarán para mantenernos atrapados en la superficie, y esa no es una opción.

Si "The Martian" brinda una lección para la exploración espacial en la vida real, es que el público no se prestará a gastar miles de millones de dólares solamente para dejar astronautas varados en otro mundo. La parte más importante de cualquier plan de la NASA para visitar el planeta rojo, sin duda, consiste en salir de él.

La nave espacial que la NASA construiría para que se realice el trabajo, el vehículo de ascenso de Marte (Mars Ascent Vehicle, MAV), representa un desafío formidable para la ingeniería. Cuando está totalmente cargado con combustible, es demasiado pesado para lanzarse desde la Tierra y aterrizar en Marte de forma segura.

En cambio, el vehículo tendría que pre-ensamblarse y luego enviarse al planeta rojo años antes de que los astronautas lleguen donde realizaría su propio propulsor al apretarlo fuera de la delgada atmósfera marciana.

Y luego? El MAV debe construirse lo suficientemente fuerte como para permanecer en pleno funcionamiento a pesar de ser atacado por enormes tormentas de polvo y por la severa radiación UV. Cuando el estrecho vehículo finalmente despega, necesita mantener a los astronautas durante días, mientras maniobran para encontrarse con el buque en órbita que finalmente los llevará a casa.

El MAV tendrá una misión dentro de una misión: una nave espacial tripulada puesta en órbita desde la superficie de un planeta extraño. Solamente hay una oportunidad de conseguirlo.

Arrastrar todas nuestras cosas

Una misión a Marte será la primera caravana al espacio profundo de la humanidad. Se podrían llegar a necesitar hasta cinco naves espaciales distintas para transportar a los astronautas y sus cargas hasta el planeta rojo.

Parte de esa carga, puede dividirse en componentes más pequeños y que luego los astronautas los vuelvan a ensamblar al llegar. No sucede esto con el MAV. “A usted no le gustaría estar en Marte tratando de atornillar motores con su traje espacial puesto, especialmente con guantes en un ambiente polvoriento, asegura Michelle Rucker, una ingeniera de sistemas de Johnson Space Center de la NASA.

En la NASA, eso convierte al MAV en el elemento de carga más grande e indivisible de la misión, con un peso aproximado de 18 toneladas. Hasta la fecha, el objeto más grande que hemos enviado a la superficie de Marte es el robot explorador Curiosity de una tonelada.

Aterrizar un objeto en Marte -en especial uno que pesa varias toneladas- no es tan fácil como aterrizarlo en la Tierra, donde básicamente cae una cápsula del cielo, según la atmósfera para reducir la velocidad de su descenso.

En Marte, donde el aire tiene un espesor cien veces superior al de la Tierra, existe la atmósfera justa como para que sea un dolor de cabeza, pero no lo suficiente como para realizar algo útil, asegura Rucker. O, dicho de otro modo, se quemará, pero no hará mucho para reducirse.

Es por ese motivo que la NASA está desarrollando una tecnología como el desacelerador aerodinámico inflable hipersónico (Hypersonic Inflable Aerodinámico Decelerador) un gran escudo protector de calor inflable y en forma de cono que también actuaría como un sistema de frenado.

El escudo se desplegaría al ingresar a la atmósfera de Marte, y reduciría el aterrizador de velocidades hipersónicas a supersónicas. En ese momento, los motores de cohetes entrarían en juego para un aterrizaje controlado.

Aquí está lo que la clase de astronautas matemáticos como Mark Watney haría para hacer que funcione: el aterrizaje quemará aproximadamente entre cinco y siete toneladas de propelente. Cuando llegue el momento de despegar de la superficie de Marte, el MAV necesitará 33 toneladas de propelente para liberarse de la gravedad del planeta rojo, impulsarse a través de su atmósfera y transportar a los astronautas y su carga científica en órbita de forma segura, donde pueden encontrarse y acoplarse a su vehículo de regreso a la Tierra (Earth Return Vehicle).

Es demasiado enviar eso. El propelente tendrá que fabricarse en Marte.

Vivir fuera de la Tierra

Para que la expediciones al planeta rojo tengan cierta posibilidad de éxito, necesitarán vivir fuera de la Tierra.

Mediante la fabricación de combustible en Marte, la NASA puede recortar varias toneladas de masa de carga inicial. Y, después de que la primera misión haya terminado, el equipo se puede dejar en Marte para servir como infraestructura naciente para la ampliación de las instalaciones a fin de procesar no solamente combustible, sino también agua y aire para los futuros exploradores.

Los motores del MAV se alimentarán con metano y oxígeno líquido. Todos los ingredientes necesarios para hacer ese combustible (carbón, hidrógeno y oxígeno) pueden encontrarse en el planeta rojo, si sabes dónde buscar.

En teoría, el oxígeno puede extraerse de la atmósfera de Marte, que es un 95 por ciento dióxido de carbono (CO2), y del agua líquida y congelada (H20) que se encuentra bajo la superficie. El carbono y el hidrógeno restantes se pueden combinar para hacer metano líquido.

Sin embargo, la perforación necesaria para obtener el agua añadiría un elemento no deseado de incertidumbre a una misión de por sí difícil. Excavar y procesar es mucho más complejo que simplemente tomar la atmósfera de Marte. “El otro problema con la producción del propulsor del agua subterránea es que te conduce hasta el terreno donde es muy probable que haya agua”, añade Rucker. Si necesitas excavar y aterrizas en algún lugar donde resulta ser que estás en la cima de la roca madre, no hay ninguna perspectiva de éxito”, expresa.

No se extraerá hidrógeno del agua de Marte; entonces el Plan B sería enviar una carga de hidrógeno a Marte como reserva de cultivos para la producción de metano. Pero, para una misión inicial, la idea también está fuera de discusión. A pesar de que el hidrógeno no es pesado, requiere grandes tanques de almacenamiento que ocupan mucho espacio valioso.

“Hemos tenido un diseño de aterrizador; tiene una especie de cubierta de superficie plana en la parte superior”, expresa Tara Polsgrove, ingeniera aeroespacial de Marshall Space Flight Center de la NASA. "En este momento, el MAV está ocupando la mayor parte del espacio de esa cubierta. No hay mucho espacio para un tanque de hidrógeno”.

Ingenieros de la NASA podrían albergar depósitos de hidrógeno, haciendo que el MAV sea más alto en lugar de más ancho. Sin embargo, el aumento de la altura de la nave espacial es una situación que intentan evitar. Les preocupa que si el vehículo es demasiado alto, existe un mayor riesgo de que vuelque después del aterrizaje.

Y, según Rucker, un MAV más alto podría colocar una carga física difícil para los astronautas. Si uno o más de ellos se incapacitan durante la misión, subir una escalera alta es lo último que querrán hacer\u2019. Un fácil acceso debe ser una prioridad importante.

Como tal, el plan actual prevé el envío de un vehículo de ascenso con metano líquido y equipado con una planta química que produciría oxígeno líquido de la atmósfera de Marte.

Se espera que el proceso tarde de uno a dos años. Cuando los tanques del MAV están llenos, se enviará la tripulación humana a Marte, con la certeza de que tendrán un vehículo gaseado en marcha esperando para ingresarlos nuevamente al espacio.

Pero los ingenieros de la NASA no estarán preparados para colgar ninguna pancarta de "Misión cumplida". "Uno de los desafíos es que estamos utilizando propelentes criogénicos", informa Rucker. "Una vez que se llega a Marte con el propulsor, lo tienen que mantener frío durante un par de años antes de que realmente se utilicen, sin que entre en ebullición".

"Hemos conseguido propulsores y, hasta el momento, no tenemos ninguna válvula que tenga cero fugas" añade Polsgrove. "Tienes que pensar en eso, que es la razón por la que estamos priorizando el desarrollo tecnológico en el ámbito de las válvulas con fugas mínimas".

En términos generales, los ingenieros están preocupados porque el tiempo no esté de su lado. El MAV requerirá de uno a dos años para la fabricación de su combustible. Posteriormente, la tripulación humana pasará de 200 a 350 días de viaje hasta Marte, seguido de la exploración del planeta rojo, que podría durar hasta 500 días.

Si se suma todo, eso significa que el MAV debe permanecer operativo y listo para el despegue durante cuatro años después de su aterrizaje inicial en Marte. "Ha permanecido en el ambiente de Marte", expresa Rucker. "Ha permanecido en el polvo. Hay una intensa radiación UV. ¿Cómo se ven los muebles de su patio después de haber estado expuestos durante tanto tiempo? Eso sucede en la Tierra, donde hay considerablemente más protección".

¡Vístase!

Entre las muchas preguntas que los ingenieros deben tener en cuenta al diseñar el MAV, una de las más importantes es "¿Qué vestirán los astronautas?"

"Has visto imágenes de la estación espacial" expresa Rucker. "Pasan el rato en pantalones cortos y camisetas. Cuando está en un vuelo estable con un vehículo grande, pueden zafar con eso. En el vehículo de ascenso, no hay otro lugar a donde ir. Si haces estallar un agujero en alguna parte, es mejor tener un traje."

Pero… ¿qué traje? Los que los astronautas han estado utilizando mientras exploraban la superficie de Marte los trajes para actividades extravehiculares son pesados y voluminosos. Si los astronautas los utilizaran a bordo del MAV, los ingenieros tendrían que aumentar el tamaño de la cabina.

Entonces sería un problema que el polvo marciano se aferre a los trajes. Ese no es el tipo de cosas que los astronautas deberían traer a casa sin protocolos adecuados de protección planetaria.

Rucker cree que la mejor solución consiste en dejar los trajes voluminosos en Marte, donde una misión futura podría salvarlos por partes. En cambio, los astronautas que parten deberían colocarse el traje de actividades intravehiculares (Intra-vehicular Activities, IVA) que son aquellos trajes inflados de color naranja que la tripulación del transbordador llevaba a bordo de su nave espacial durante el despegue y el reingreso.

Los trajes IVA pesan menos y son un poco más flexibles. Además, pueden mantenerse sin polvo, al limitar su exposición al ambiente marciano "exterior". Los astronautas abandonarían su hábitat e ingresarían en un robot explorador por medio de un puerto de acoplamiento. Mientras se encuentran en el robot explorador, se cambiarían sus trajes IVA limpios y elegantes, y se dirigirían al MAV, al que entrarían a través de un túnel presurizado especialmente diseñado.

La desventaja de llevar un túnel a Marte es que añade el peso de una pieza de equipo que se utiliza solamente una vez. Rucker, sin embargo, piensa que el túnel podría tener otros usos.

“Lo veo como algo interesante para tener”, afirma. "Ahora, en lugar de un hábitat grande y único, quizás puedes tomar hábitats más pequeños y utilizar el túnel para unirlos. No es bueno añadir un nuevo elemento, pero si se trata de un elemento que resuelve muchos problemas, entonces podría ser una ventaja".

De regreso a casa

"Finalmente es hora de partir. El interior del MAV será austero para minimizar el peso. Este es un taxi espacial de ida, no es un hábitat. De hecho, es posible que los ingenieros no incluyan asientos, en cuyo caso, los astronautas se mantendrán de pie durante el viaje.

El ascenso impulsado por cohetes tendrá una duración de siete minutos; pero el viaje no termina allí. Los astronautas tendrán que quemar más combustible para maniobrar en una órbita que les permita encontrarse y atracar con el vehículo de regreso a la Tierra (Earth Return Vehicle, ERV).

Eso significa que los astronautas podrían estar a bordo del vehículo de ascenso durante un máximo de hasta 43 horas, suponiendo que el ERV está estacionado en una órbita solar una órbita elíptica que varía en altitud de unos 250 a unos 33.796 kilómetros (de 155 a 21 000 millas) por encima de la superficie de Marte. Sin embargo, según Rucker, esto sigue siendo un problema no resuelto entre los planificadores de la misión a Marte.

“Los hombres a cargo de la propulsión en el espacio desean mantener ese gran hábitat de tránsito tan alto como sea posible”, agrega. "No quieren sumergirse bien debajo de la gravedad de Marte. A ellos realmente les gustaría estar a cinco o diez sol y hacer que el vehículo de ascenso se dirija hacia él."

El problema con eso, afirma Rucker, es que una estadía más larga a bordo del MAV requiere otras instalaciones.

"Puedes permanecer en tu traje espacial y puedes prescindir de sopa caliente y de un baño durante cuarenta y tres horas, probablemente, asegura. Sin embargo comienzas a arrastrarte a los tres, cinco o siete días; tienes que comenzar a añadir todas esas cosas y eso va a incrementar el peso del vehículo de ascenso.

Una vez que se logra el acoplamiento y que la tripulación y la carga se transfieren a la nave espacial que los llevará a la Tierra el MAV se separa y realiza una maniobra de disposición final, que lo coloca en una órbita que no interferirá con las futuras misiones a Marte: un fin innoble para una pequeña nave espacial que habrá desempeñado un papel fundamental en la historia humana.

Artículo publicado el 2 de octubre de 2015.

Mark Strauss es jefe corresponsal de Ciencia para National Geographic News. 

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