Para ir a Marte hay que tomar el camino más largo

Ahora mismo (escribo esto el 31 de julio de 2020), una nave espacial viaja a Marte a una velocidad de más de cien mil km/h que va reduciendo lentamente, y dirigiendo su trayectoria sin ninguna maniobra, automáticamente, gracias a un genio que en su confinamiento a causa de la pandemia pudo encontrar las claves para este viaje hace ya más de 3 siglos. Lo hace con calma, con los motores apagados, sin que nadie tenga la necesidad de estar controlando su velocidad o la dirección que va tomando(*).

Después de que ayer fuera el centro de las miradas de millones de personas que vieron en directo su lanzamiento, de las comprobaciones nerviosas de los ingenieros y la tensión de muchos científicos que cruzaban los dedos para que todo saliera bien y no se frustraran sus proyectos de años, ahora viaja solitaria y sin atraer la más mínima atención sobre su marcha rutinaria.

Tras el lanzamiento, y una vez Mars 2020 dirigido hacia su destino, los ingenieros de NASA se relajan, e incluso uno de ellos coge su mochila y se retira con prisa.

Si quieres revivir el momento, puedes ver aquí el vídeo de aquellos minutos cruciales: 

Si. Ayer fue un día muy especial en la historia de la exploración espacial porque se produjo, después de algunas dudas y dificultades, el lanzamiento por parte de la NASA de la misión Mars 2020, entre cuyos objetivos está el de analizar la posibilidad de existencia de vida en Marte en un pasado, y recoger muestras que serán enviadas a la Tierra en futuras misiones. Algo que no se había hecho nunca y supone un hito en la investigación del planeta rojo.

Selfie del rober Curiósity en Marte. El Mars 2020 es gemelo suyo en cuanto a estructura, pero más ambicioso en cuanto a objetivos y recursos.

Puedes encontrar mucha información de todo eso en diferentes lugares, pero hoy me voy a centrar en el viaje y la manera de realizarlo, que aunque no tiene nada de novedoso porque ya han sido muchos los ingenios espaciales que lo han llevado a cabo de forma similar, sigue siendo desconocido por mucha gente.

Aquí comenzó la aventura

MARS 2020 no es la única misión al cuarto planeta que se ha lanzado en este año tan especial para el tercero, porque además de un frustrado proyecto europeo (Las agencias espaciales rusa FKA y la europea ESA debieron retrasar el suyo hasta 2022 por diversos problemas) también China e incluso Emiratos Árabes han enviado una nave hacia Marte. Los primeros la Tianwen-1 y los segundos la Mars Hope.

Dos aspectos muy diferentes han "marcado" a este año 2020

Lo aparentemente curioso es que los tres lanzamientos han ocurrido con solo 9 días de diferencia

No es que quieran rivalizar o quitar protagonismo a los otros. Es por eso de las ventanas de lanzamiento: un periodo no muy amplio de fechas en que es posible lanzar. Si por problemas técnicos o las condiciones meteorológicas no puede hacerse entonces, habrá que esperar hasta la siguiente "ventana", en este caso dentro de un par de años

Hay una circunstancia que suele citarse en muchos lugares, y que también estos días se ha repetido pero que, sin ser falsa, induce a error a quien la oye: "Cada poco más de 2 años la Tierra y Marte se encuentran a su mínima distancia. Toca este año 2020 y es el momento de lanzar naves a Marte. Si no se hace ahora habrá que esperar a 2022" . Incluso en algún medio se cometía un claro error de fechas: "... se tiene previsto que para finales de julio Marte se ubique a unos 58 millones de kilómetros de distancia de la Tierra, siendo este el punto mas cercano entre ambos planetas". No. a finales de julio se producen los lanzamientos, pero hasta octubre no se ubicará Marte en el punto más cercano.

La distancia entre la Tierra y Marte puede variar, redondeando, entre los 60 y los 360 millones de kilómetros (aproximadamente, y según los lugares que ocupen ambos planetas en sus respectivas órbitas, al mismo lado del Sol -cuando se dice que Marte está en oposición-, o justo a la parte contraria -Marte en conjunción-).

Como esa distancia hasta el final del viaje es tan variable, por lógica parece que lo mejor es que la nave espacial recorra el camino más corto (el de la figura 1 del siguiente gráfico), y así llegaría antes y gastaría menos combustible. Pero NO es así.

Paradógicamente todas las naves lanzadas estos días recorrerán casi el camino más largo, el único posible con la tecnología actual, y así ahorrarán combustible.

Parece que el mejor itinerario es el de la figura 1, y sin embargo hacen como en la 2, o de manera muy similar. La situación está simplificada, con órbitas prácticamente circulares. En el anexo se detalla más.

En principio la lógica parece decir que hay que realizar el lanzamiento cuando los planetas están próximos. Bueno, en este supuesto (quien sabe si en un futuro será posible) en realidad habría que lanzar después de que la Tierra y Marte estuvieran en su punto de mayor proximidad (después de la oposición de Marte que será el 14 de este próximo octubre, como se muestra en la figura 1) para dar tiempo tanto a la nave como a Marte a coincidir en el punto de encuentro. Pero como digo esto es una lógica falsa y actualmente inviable. 

La prueba es que los lanzamientos se han producido casi 3 meses antes de la oposición marciana, según el esquema de la figura 2, cuando Marte todavía está más adelantado en su órbita que la Tierra, porque hay que darle ventaja de cara a que el planeta rojo, más lento, llegue al mismo punto y en el mismo momento que la nave. Esa "ventaja" debe ser la justa para que se encuentren (ya que la velocidad de la nave está determinada y apenas se puede modificar), y por eso la ventana de lanzamiento es estrecha.

Con la tecnología actual habría que cargar tanto combustible para ese corto viaje de la figura 1 de “solo” 60 millones de kilómetros, que el peso de la nave haría prácticamente imposible su despegue. Además hay otra circunstancia que desaconsejaría esta opción, porque el mayor impulso inicial que se le puede dar a una nave que abandone las proximidades de nuestro planeta ese el que le da la propia Tierra por su movimiento de traslación, y en ese supuesto lo haría en dirección perpendicular.

Pero... ¿Cómo puede hacer el trayecto más largo, hasta un lugar 6 veces más lejano? Porque durante el mismo no se consume energía. Va con los motores apagados, “empujada por Newton” como algunos dicen de manera figurada.

En realidad, usan la energía gravitatoria del Sol, lo mismo que todos los planetas, asteroides y cometas que se mueven alrededor de nuestra estrella y que tampoco tienen motores para recorrer sus órbitas.

La clave es que cuando la nave abandona la Tierra debe ser colocada en la dirección y velocidad precisa que tendría un supuesto asteroide (o un planeta) que tuviera una órbita elíptica con perihelio (mínima distancia al Sol) a 150 millones de km como la Tierra, y afelio (máxima distancia al Sol) 210 millones como Marte, como se recoge en el siguiente gráfico. 

La nave, después de recorrer la mitad de esa órbita, se debería encontrar con Marte, si el lanzamiento se ha realizado en la fecha adecuada. 

Un astro con una órbita de esas características tardaría unos 17 meses en completar su circunvalación al Sol, y como nuestras naves realizan solo la mitad del recorrido, llegarían en algo más de 8. Aunque esto, como todo lo anterior, se refiere a situaciones "medias" teóricas. De hecho las 3 naves ahora lanzadas tardarán algo menos en llegar. Si quieres más detalles, puedes seguir leyendo:

Los números que se han dado anteriormente son aproximados, y varían de una ventana de lanzamiento a otra. 

Por simplificar, hasta ahora se han supuesto órbitas circulares concéntricas. Pero la de Marte es algo excéntrica y aunque sigue teniendo un aspecto similar a una circunferencia, el Sol está claramente apartado del centro, con lo que al considerar las órbitas del tercero y cuarto planeta, dan la impresión de ser dos círculos no concéntricos. Ello hace que varias circunstancias relacionadas con nuestro tema, sean variables. Así mismo se han simplificado algunos aspectos, que quizás convenga precisar:

1- Concretamente las órbitas están colocadas como se indica en el siguiente gráfico, y en principio la longitud de la trayectoria que sigue la nave y la duración  teórica del viaje varían entre la dos que se han representado en él:

Por ello si se pudiera lanzar a finales de febrero el recorrido sería más corto. Pero las ventanas de lanzamiento están condicionadas por lo dicho antes respecto a la posición de Marte en cada fecha.

 Además hay que decir que éstas serían las órbitas de menor gasto energético (llamadas órbitas de transferencia de Hohmann) pero, como se aclara luego, en la práctica se modifican más o menos ligeramente.  

2- Aunque refiriéndose a los momentos de mayor proximidad de los dos planetas se suele hablar de dos años, en realidad la media son unos 780 días (poco menos de 2 años y 2 meses). En este tiempo la Tierra da  2.14 vueltas alrededor del Sol y Marte unas 1.14 vueltas. Por eso al cumplirse este periodo de tiempo las posiciones relativas se repiten, entre ellas el máximo acercamiento: aunque ésta es una clave errónea en el tema, tal como se ha dicho. En realidad para establecerse una nueva ventana de lanzamiento lo que debe repetirse es la elongación de Marte, que le dé la  "ventaja justa" para coincidir con la nave en el punto de encuentro, pero en ésto lógicamente el periodo entre una y otra es el mismo.

Recorrido aproximado de la Tierra y Marte en 780 días, entre dos oposiciones del planeta rojo intermedias entre su perihelio y su afelio.

Este periodo puede variar porque debido a la excentricidad de la órbita marciana no siempre las posiciones y las distancias son exactamente iguales, y oscila entre los 765 y 850 días.

3- Lógicamente en la práctica hay algunos detalles que se añaden a este viaje teórico, en diferentes momentos del mismo:

Después del lanzamiento de la Mars 2020 en el que se produjo el mayor gasto de energía para conseguir la velocidad de escape y salir al espacio, dio una órbita (bastante elíptica) alrededor de la Tierra acoplada aún al cuerpo del lanzador, durante la que se realizan comprobaciones y correcciones y en el momento en que, aproximadamente, sobrevuela el meridiano en el que sea medianoche un último impulso la coloca en la órbita adecuada alrededor del Sol.

¿Por qué deja la órbita terrestre en ese momento? Porque es cuando la dirección del movimiento es el adecuado, tangente a su nueva trayectoria elíptica alrededor del Sol, y cuando en el impulso se suman los efectos de la traslación terrestre y el que le da su dirección en la órbita.

De manera figurada podría decirse que ahí “Newton coge el relevo” y con la clave de la ley de la gravitación universal que descubrió durante su aislamiento en su pueblo rural de Woolsthorpe con motivo de la epidemia de peste bubónica de 1665, guía delicadamente la nave hacia Marte. Sin ruidos de motores, sin gasto de combustible, igual que nuestro planeta se mueve majestuosamente alrededor del Sol. 

(*) Bueno, ésto es la teoría que queda muy poética. En realidad los ingenieros controlan el viaje y le incordian a Newton de vez en cuando.

Lugar de Woolshhorpe donde Newton estuvo confinado y, según se dice, descubrió las claves que se utilizan en estos viajes.

Cuando en los primeros meses del próximo año estos viajeros interplanetarios lleguen a las proximidades de Marte deberán frenar para adecuarse a la velocidad del planeta rojo, y mediante diversas maniobras tomar tierra en su superficie o quedarse orbitándolo.

4- Durante el camino que yo lo he pintado plácido y perfecto, hay comprobaciones, pequeñas correcciones de rumbo, e incluso podría acelerarse la nave para que llegue antes, y esto se ha hecho algunas veces cuando éstas eran de pequeño tamaño. Pero con la envergadura (y por ello el peso) de MARS 2020 se requiere un gran gasto de energía y solo se utiliza en pequeña medida: Se puede programar en una órbita que se acerque a la posición de Marte algo antes, y con las maniobras de acercamiento necesarias pueda adecuarse a la dirección y velocidad del planeta rojo.

Así, aunque las 3 misiones citadas han sido lanzadas con muy pocos días de diferencia, las fechas de llegada están más distanciadas, y las trayectorias, que no se ajustan exactamente a la teoría de Hohmann, son ligeramente diferentes: 

Trayectorias que siguen las 3 misiones espaciales, con la fecha de lanzamiento y las posiciones de la Tierra y Marte en los momentos de comienzo y final del viaje. La que menos se desvía de la órbita de transferencia teórica (y por ello la menos complicada técnicamente) es la de Emiratos Árabes.

De todo esto, con más detalles y cálculos numéricos ya escribí otro artículo hace tiempo. Pero ahora, con los calores del verano, quizás sea más adecuado quedarse solo con la idea principal, algo aparentemente paradójico y que parece “casi mágico”, como tantas otras cosas relacionadas con los astros.