13 feb. 2014

Solución al problema de la ingravidez con estaciones espaciales en rotación

El principal problema que se presentará a las futuras generaciones de seres humanos que quieran colonizar el espacio exterior, rumbo quizás a algún exoplaneta habitable, será la falta de gravedad o ausencia de peso. 
Estar cortos períodos de tiempo en el espacio no es problema, pero cuando se trata de años o de toda una vida, como será el caso de los colonos, la cosa es muy diferente. Lo que se necesita en ese caso es la creación de gravedad artificial. Por el momento, lo único que se conoce para generar una gravedad ficticia es hacer girar la estación espacial a determinada velocidad, hasta lograr que la aceleración centrípeta sea igual 1 g, o 9,8 metros sobre segundos al cuadrado.
O quizás, ya conociendo la masa del planeta destino y por tanto su gravedad superficial, se podría ajustar el giro de la estación haciendo que la aceleración centrípeta coincidiese organismos habitantes de la estación espacial o nave espacial se irían adaptando poco a poco a esas nuevas condiciones. De seguro el viaje tardará mucho, cientos o miles de años. De manera que que habrá tiempo suficiente para la adaptación.

Hipotética estación espacial toroidal la cual "genera" su propia gravedad.
By Mariano Miguel Lanzi.
Varios científicos propusieron las naves espaciales giratorias para solcionar el problema de la ingravidez. Los principales proyectos son el denominado Toro de Stanford, un diseño propuesto para albergar entre 10 mil y 150 mil personas y cuyo diámetro externo es de 1,6 kilómetros. O el cilindro de O'Neill, el cual es un hábitat espacial cuyo diseño fue propuesto por el físico Gerard K. O'Neill y consta de dos cilindros de rotación opuesta, con dimensiones de 3,2 kilómetros de radio y 32 km de largo conectados en cada extremo de una varilla a través de un sistema de rodamientos.

El Toro de Stanford. By Don Davis [Public domain], via Wikimedia Commons

Quizás antes de largarse a producir estos colosos, los científicos comiencen con pequeñas pruebas en órbita a nuestro planeta o a algún otro habitante del Sistema Solar como Marte. Estas pruebas sería necesarias para evaluar los imprevistos que siempre están a la orden del día por más que el hombre se empeñe en abarcar todas las variables posibles. 

Esquema del Cilindro de O´Neill
By Rick Guidice, NASA Ames Research Center. [Public domain]
A continuación se dan las características posibles para una estación espacial tipo toroidal (o anillo) que bien podría servir para realizar largos viajes interestelares.

Las dimensiones de la estación

La estación deberá ser lo suficientemente grande como para hacer agradable la vida en ella. Dado que si posee un tamaño reducido, nadie estará vivo (por diversos motivos que cualquiera puede imaginar) cuando la nave arribe al nuevo mundo. Es decir, como se vivirá sobre la cara interna de la estación, la curvatura no debería ser demasiado evidente. Esto sería para dar sólo la sensación de estar caminando mientras se sube una colina poco empinada. Pero tampoco se pretende hacerla gigante, pues los costos de los materiales y del armado serían altísimos. De todas maneras, como propone O´Neill en su libro "La Alta Frontera", los materiales casi seguro que no provendrán de la Tierra, sino (en el caso del libro) de la Luna o de cualquier otro planeta o incluso de asteroides. De ellos se podrían obtener metales, por ejemplo o de los cometas, agua.
Esquema de una posible estación espacial giratoria.
Por ejemplo, un tamaño de 2000 metros de radio sería quizás viable. Con ese radio, la longitud total digamos para caminar o para andar es de 12566 metros, una buena cifra. Si alguien quisiera dar su vuelta al “mundo”, tendría que recorrer 12,5 kilómetros. Si suponemos ahora que el radio interior del cilindro fuera de 1800 metros y que la altura de 200 metros, el volumen disponible para construcciones y demás resultaría en 477,5 millones de metros cúbicos y la superficie de apoyo, en la cual se emplazaría la ciudad, de 2,5 millones de metros cuadrados. Esta cifra resulta ser equivalente a la de un pequeño pueblo de 1,5 kilómetros cuadrados. Una superficie aceptable para emplazar muchas cosas, desde edificios hasta lugares de esparcimiento y con un potencial para albergar quizás a 50 mil personas.
El ingreso a la estación desde el espacio se haría a partir el centro, donde la velocidad de giro es cero. Luego, una vez dentro, “descender” hacia el anillo de la ciudad haría que gradualmente aumentase el peso de los objetos. La masa de la estación estaría concentrada casi toda en el anillo exterior (el resto de la masa en las zonas centrales sería despreciable). Poniendo una densidad arbitraria del 20 % la del agua (pensar que dentro del volumen la mayor parte es aire, a pesar de que se podría suuponer que las estructuras tienen la densidad del acero), la masa del anillo sería de 9,55x10^10 kg. 

La curvatura

Siendo que la circunferencia de la construcción es de 12566 metros, un hipotético habitante situado en el punto A (ver siguiente diagrama) observará a otro en el punto B como si éste ascendiera la ladera de una montaña, para luego desaparecer oculto por la superficie superior o “techo” ficticio. De modo que la máxima distancia de visión será de 1744 metros como se ve en el diagrama. Sin embargo, si A quiere alcanzar a B deberá recorrer 1804 metros mientras asciende 787 metros (que no los sentirá como ascenso, sin embargo). Es decir, este habitante A con unos prismáticos vería a B a 1,7 kilómetros de distancia y a 787 metros sobre su cabeza.

Cómo verían las personas el interior de la estación espacial.
Si bien la curvatura es bastante pronunciada, como se notará, pasará inadvertida en recintos cerrados como departamentos o incluso en pequeños ambientes urbanos tales como plazas, teatros o estadios. De más está decir que los “suelos” locales serán planos.

Velocidad de giro

La velocidad tangencial necesaria para lograr la aceleración de 1g será de 140 m/s o unos 500 km/h. Entonces, la estación girará una vez cada un minuto y medio. 
Si ahora suponemos que se parte del reposo, cuando la estación está recién armada en la órbita terrestre y se la quiere poner en funcionamiento, habrá que elegir entonces el tiempo requerido en lograr esa velocidad final. No es fácil esta elección pues cuanto menor sea dicho tiempo más potencia necesitarán tener los propulsores (ubicados con salida tangencial). Por ejemplo, si el tiempo que estuviese acelerando fuera de 24 horas, la aceleración tangencial resultará de sólo 1,6 milésimas de m/s2. 

Vistas de la estación espacial giratoria.
La conclusión de este apartado es que habrá que hacer pruebas para establecer el tiempo óptimo de aceleración dependiendo de la potencia de los propulsores. Cabe aclarar que cualquier aceleración tangencial comenzaría a mover la estructura debido a la ausencia de fuerzas de rozamiento externas. Supongamos que estamos en un océano cuya resistencia al desplazamiento sea tendiente a cero (un océano ideal), entonces, con sólo empujar con un dedo a un barco petrolero de 50 mil toneladas lo comenzaríamos a mover. Pero claro, sería un movimiento imperceptible, pero movimiento al fin.

El gasto energético en el proceso de aceleración

Debido a la considerable masa de la estación, acelerarla no sería de ninguna manera económico. Supongamos que se cuenta con cuatro propulsores destinados a hacer el trabajo pesado (después habría otros pequeños para realizar ajustes periódicos). El trabajo total resultaría de 1,7x10^15 J. Esta es una energía enorme pero perfectamente factible de obtener. Por ejemplo, la energía suministrada por cada kilogramo de propelente iónico es de 1,25 GJ, con lo que se requerirían 1360 toneladas de propelente para propulsor iónico o 135000 toneladas de combustible para cohetes bipropelentes.

Variación del peso con la altura

Hay un problema importante que se sucederá con el peso de las personas o cualquier objeto que se desplace “hacia arriba” (en dirección al centro de rotación) y es que éste variará en forma considerable y descendente a medida al acercarse a dicho centro. Si calculamos la distancia máxima para la cual el peso de una persona varía en un 5% esta resulta ser de 100 metros. Esa quizás sería la altura máxima que debería tener los edificios de la estación. Porque, una persona que pesara por ejemplo 70 kg en el anillo externo, en el piso de la estación, en la base de ese edificio de 100 metros, perdería 3,5 kg al subir a la azotea del edificio. 

Los cilindros de O´Neill
By Rick Guidice NASA Ames Research Center [Public domain]

Desplazamiento del centro de rotación con el movimiento interno de las masas

La constitución física de la estación debería ser simétrica para así tener un centro de rotación coincidente con el centro físico del cilindro o del anillo. Pero, ¿qué ocurrirá con el movimiento de las personas y vehículos? Por supuesto que estas diferencias en la distribución de las masas repercutirán en el desplazamiento del centro de rotación. Para evitar desequilibrios en la en la fuerza centrípeta podríamos proponer que el centro de masas no se desplace más de un 1 % del centro físico. Esto representaría dos metros. Si calculamos la masa que debería desplazarse hacia un lado para desplazar esos dos metros, resulta en aproximadamente 1 x 10^7 kg, lo cual representaría la masa de unas 150 mil personas adultas. Demasiadas personas de un mismo lado y quizás demasiadas como habitantes de este modelo de estación espacial. (estos cálculos los hice de manera apresurada y quizás haya que ajustarlos)

Conclusión

Aquí se han tratado de plasmar los principales puntos a tener en cuenta a la hora de construir una estación espacial rotatoria. Seguramente faltan muchos puntos a considerar. Uno de ellos, por ejemplo, es la presencia de la molesta fuerza de coriolis. Ésta es una fuerza inercial que depende de la velocidad de giro y del radio del objeto. Pero en este caso, al poseer un radio considerablemente grande y una velocidad de giro baja, esta fuerza es despreciable y seguramente pasaría inadvertida para los habitantes de esta estación espacial. Sin embargo, para radios menores sí sería medible y causaría molestias de todo tipo en el equilibrio y la percepción de las cosas. Por ejemplo, un chorro de agua cayendo desde determinada altura no se vería ir en dirección al eje central de la estación sino que se torcería hacia uno u otro lado según la intensidad de la fuerza de coriolis.
Otro punto de suma importancia sería el manejo de la humedad ambiente y de las corrientes de aire que se tendrían que hacer circular para mantener el ambiente respirable en todo momento. Esto acarrearía indefectiblemente sectores de alta condensación y formación de vapores nubosos. Habría que resolver estos problemas para evitar la formación de nubes y de la excesiva condensación que haría que de las paredes chorrease de manera permanente agua.
En fin, ya llegará el día en que se dé el nacimiento del primer ser humano en el espacio. Ese día marcará seguramente el comienzo de la colonización de otros mundos habitables seguramente fuera del Sistema Solar. Hay que ir preparándose.

Redacción por Mariano Miguel Lanzi para Ciencia Historia ©

Este artículo surgió a partir de una interesante discusión que tuve hace un tiempo con mi hermano, César Antonio Lanzi, el cual hizo valiosos aportes. Aunque, debo aclarar que todos los errores que puedan haber en el escrito corren bajo mi exclusiva responsabilidad.

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