Los ascensores espaciales son menos ciencia ficción de lo que piensas

Los ascensores espaciales a menudo se descartan como un sueño de ciencia ficción, pero creo que existirán pronto, tal vez en dos o tres décadas. A lo largo de mi carrera como ingeniero aeroespacial y profesor de física, sigo volviendo al concepto de un cable que se extiende desde la Tierra hasta el espacio, a lo largo del cual las personas y la carga pueden viajar fácilmente. En los últimos años, otros investigadores y yo hemos encontrado nuevas formas de jugar con los diseños y responder preguntas sobre cómo podrían funcionar los ascensores espaciales.

Hay muchas razones para construir un ascensor espacial. El más obvio es el mayor ahorro de energía y costos; es una forma mucho más práctica de llegar a la órbita que los cohetes. Otra razón que a menudo se pasa por alto es la accesibilidad. La palabra “misión espacial” sería reemplazada por “tránsito”, ya que los viajes al espacio se vuelven rutinarios y en su mayoría independientes de las condiciones climáticas. Los tránsitos que involucren humanos serían más seguros que las prácticas actuales, según las cuales los astronautas deben aceptar un riesgo no despreciable para sus vidas con cada lanzamiento. Un ascensor espacial se convierte en un puente hacia todo el sistema solar. Libere una carga útil en la parte inferior y orbitará la Tierra, pero hágalo en la parte superior y orbite el sol; Todo sin combustible.

Aunque pueda parecer un defensor de los ascensores espaciales, la verdad es que simplemente disfruto estudiando su mecánica. En un mundo con problemas monumentales, soñar con tales proyectos me permite visualizar un escenario en el que nos hemos convertido en custodios responsables de este planeta.

Mi historia comienza en 2004, cuando era estudiante de maestría y me sentaba en la oficina del profesor Arun Misra con la esperanza de que él supervisara mi tesis. Misra era el principal experto espacial en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad McGill, por lo que estaba más que un poco intimidado. La conversación fue algo así:

Yo: ¿Qué tipo de investigación crees que podría hacer?

Misra: ¿Alguna vez has oído hablar de un ascensor espacial?

Yo: No. ¿Qué es?

Misra: Imagine un cable de 100.000 kilómetros de largo que se extiende desde el ecuador de la Tierra y está conectado a un satélite en el otro extremo. El sistema gira junto con la Tierra. Los escaladores pueden escalar el cable transportando cargas útiles y luego liberándolas en el espacio. Estaba pensando que podrías estudiar la dinámica de este sistema.

Yo: Eso suena… duro.

Misra: Tu trabajo no será difícil. Construyendo un ascensor espacial real aquí en la Tierra…
Eso será difícil.

Avancemos unos años. Recientemente había publicado mi tesis de maestría, titulada La dinámica de un ascensor espacial. Ahora estaba trabajando como ingeniero en diseño de satélites. Durante el fin de semana, mi amigo me presentó a su amigo Colin como “el chico del ascensor espacial”. Mi esposa puso los ojos en blanco. Le expliqué a Colin cómo podría funcionar un ascensor espacial.

Yo: Si te pararas en el ecuador y miraras un satélite en una órbita geosíncrona (aproximadamente 36 000 kilómetros de altitud), parecería fijo en el espacio, girando sin conexión alrededor de la Tierra una vez al día porque su velocidad es la correcta. Ahora, ese satélite lanza un cable a la Tierra, mientras que simultáneamente usa combustible para ascender más alto. El cable se sujeta en el extremo de la Tierra cuando el satélite alcanza la altitud adecuada y el sistema todavía gira junto con la Tierra. El cable se convierte en la vía que escalan escaladores mecánicos como trenes en un ferrocarril vertical, entregando cargas útiles al espacio.

Colin: ¿Pero qué mantiene tenso el cable?

Me: Una combinación de efectos gravitatorios y centrífugos, que compiten entre sí y varían a lo largo del cable. Por debajo de la órbita geosíncrona, gana la gravedad, y más allá, ganan los efectos centrífugos. El resultado es tensión en todas partes, con una cantidad máxima exactamente en la órbita geosincrónica.

Colin: Es viernes por la noche. Usa palabras más pequeñas.

Yo: Para construirlo, necesitamos un material cuya resistencia específica sea unas 50 veces mayor que el acero. Pero, mientras tanto, un puñado de personas en el mundo y yo estamos fingiendo que este problema se resolverá y abordando otros aspectos de ingeniería de los ascensores espaciales mientras esperamos.

Colin: Rad.

Mi esposa y yo nos cruzamos nuevamente con Colin en 2014. “¿Cómo va ese ascensor espacial?” preguntó. Mi esposa cerró los ojos y su rostro decía: “Por favor, no”.

Colin: Lo que no entiendo es por qué no se tira todo el cable hacia abajo cuando se carga un escalador en él en la parte inferior.

Yo: Si un escalador está situado debajo de GEO, particularmente cerca de la Tierra, la punta del cable se mueve hacia abajo un poco y el perfil de tensión a lo largo del cable cambia. El verdadero problema es que la parte del cable entre el escalador y la Tierra experimenta una caída en la tensión (como si sostuvieras una banda elástica verticalmente en tensión y luego colocaras una masa en la mitad). Si la tensión cayera a cero, el cable ya no estaría tenso y la estructura perdería su estabilidad inherente. Resulta que un escalador (y cualquier cosa que lleve) podría tener una masa máxima de aproximadamente el 1 por ciento de la masa total del cable. Esto sigue siendo mucha masa, porque se espera que el cable sea de cientos de toneladas.

Colin: ¿Cómo va ese material de cable?

Yo: Ya te he dicho, eso no es lo mio.

Colin: ¡Anímate, hombre!

Estamos en 2022. Hace poco presenté un resumen de mis casi dos décadas de trabajo ocasional en ascensores espaciales en un seminario en el Vanier College, donde enseño física. La charla termina y comienza la parte de preguntas y respuestas.

Estudiante 1: ¿Cuándo estará listo el material para construir el ascensor?

Yo: Si bien la síntesis de materiales potencialmente adecuados ha progresado en los últimos años, todavía estamos al menos a 10 años de una solución material (una que tenga las propiedades adecuadas y que pueda fabricarse razonablemente rápido a un costo razonable). No es inusual que las nuevas tecnologías esperen una mejor ciencia de los materiales y, afortunadamente, la investigación de materiales avanza por razones no relacionadas con los ascensores espaciales.

Estudiante 2: Suena muy bien. Pero, ¿por qué deberíamos construirlo?

Yo: Cuando lo piensas, los cohetes como medio de transporte son absurdos. Para una misión espacial típica, más del 90 por ciento de la masa total en la plataforma de lanzamiento es ¡el combustible! Es como estar en un automóvil sin motor, solo un tanque de combustible presurizado de 100,000 litros. Necesitamos reemplazar este método ineficiente de escapar de la gravedad de la Tierra con un camino más verde hacia el espacio.

La NASA planea llevar humanos a Marte antes de 2040. Sospecho que la gente caminará en Marte (a un costo de cientos de miles de millones de dólares) antes de que tengamos un ascensor espacial operativo, pero para que esto sea un esfuerzo sostenible, vamos a Necesitamos una infraestructura como un ascensor espacial, y mejor cuanto antes.

Estudiante 3: Entonces, ¿cuándo crees que se construirá uno?

Yo: el famoso autor e ingeniero Arthur C. Clarke, cuya novela Las fuentes del paraíso narra la construcción del primer ascensor espacial, se le hizo esta pregunta a principios de la década de 1990. Su famosa respuesta fue: “Probablemente unos 50 años después de que todos dejen de reírse”. Una respuesta más moderna podría ser: “Sabremos que estamos cerca cuando Elon Musk comience a atribuirse el mérito”.

Hoy, me siento muy parecido a cuando estaba sentado nerviosamente en la oficina de Arun (sí, todavía trabajamos juntos, y ahora lo llamo así, y siempre será un poco raro). Esta elegante avenida al espacio captura mi imaginación y me llena de esperanza.

Este es un artículo de opinión y análisis, y las opiniones expresadas por el autor o autores no son necesariamente las de Científico americano.