Ideas. Nuestras propuestas.

En esta sección les mostramos nuestras ideas encaminadas a la viabilidad de un viaje a Marte cumpliendo con nuestros objetivos. Indagamos sobre los métodos de propulsión y proponemos una alternativa, la E-vela. Además, estudiamos las radiaciones así como su efecto en los astronautas durante las pasadas misiones espaciales mediante datos recogidos por la NASA y la ESA, con el fin de plantear una posible solución a este factor que supone un dilema en misiones espaciales de larga duración.

Idea I. Propulsión. E-Vela

  El medio esencial de propulsión que tienen las naves espaciales, singularmente en su etapa de despegue, es el empleo del sistema de cohetes alimentado por propergoles especiales; asimismo son utilizados para su evolución orbital o bien para la navegación profunda.

  Una vez en órbita las naves pueden aprovechar el impulso inercial-a la forma de un proyectil lanzado por una honda- que les da el propio movimiento en torno a la Tierra para impulsarse en dirección al espacio profundo, sea hacia la Luna, los otros planetas o bien fuera del Sistema Solar.

  En su forma básica los cohetes destinados a la astronáutica responden al siguiente diseño: una forma aproximadamente cilíndrica que tiene en su interior, por regla general, 2 contenedores en que se hallan los propergoles a reaccionar: el de combustible (p.ej: hidrógeno líquido) y el de comburente(p.ej: oxígeno líquido).
Los dos se ponen en contacto en el instante del encendido en una cámara de ignición inferior; los gases provocados en la combustión son eyectados al exterior través de una tobera.

  Gracias al comienzo de acción y reacción la eyección del gas en un sentido provoca el movimiento de la nave en el sentido opuesto.
La velocidad de la nave, si solo se toma en cuenta la fuerza de empuje proporcionada por los cohetes, va a depender de la velocidad de eyección de los gases, y ésta aumentará en tanto que se calienten y reduzcan su densidad.

Forma de propulsión

  Los comburentes más utilizados son la hidrazina, el queroseno, el hidrógeno líquido, el amoníaco líquido. Los oxidantes más utilizados son el oxígeno líquido, el peróxido de ázoe, el peróxido de hidrógeno.

  El género de propulsante que emplean las astronaves hoy en día, tanto para despegar para navegar en el espacio, es el constituido por los comburentes químicos, así sean en estado líquido o bien sólido, si bien tienen el inconveniente que sirven solo para cortos períodos de aceleración, puesto que se agotan de forma rápida una vez producida la ignición.

  Un futuro prometedor tiene la aplicación de propulsión iónica, la que deja largos períodos de aceleración en viajes de mayor distancia, con un costo parcialmente bajo y con la posibilidad teórica de lograr altas velocidades.

Otros sistemas de propulsión en investigación teórica

  Está la propulsión luminosa (la aceleración se conseguiría a través de la proyección de rayos lumínicos).

  La propulsión a través de candelas solares (la aceleración se conseguiría a través de la captación del viento solar).

  La propulsión nuclear (la aceleración se conseguiría a través de una serie de explotes nucleares controladas). Esta última ha sido prohibida por tratados internacionales, poniendo fin a viejos proyectos, como el Orión, consistente en una nave interestelar capaz de lograr, en teoría, velocidades prácticamente luminosas.  

  Todos estos proyectos tienen como complejidad práctica el que las aceleraciones logradas son muy progresivas, lo que implica complejidad en su aplicación en los espacios próximos a la Tierra, estando más bien diseñados para vuelos en el espacio profundo.

Estructura

Fuente: solidrocket

  Toda nave espacial, independiente de la utilidad que tenga, está estructurada basándonos en los próximos sistemas operativos básicos:

Propulsión

Navegación

Sistemas de Energía (almacenaje, acumulación y distribución de la energía eléctrica)

Comunicación.

  La propulsión acostumbra a conseguirse a través del uso de los sistemas de cohetes; la navegación a través del uso de complejos sistemas computacionales, giroscópicos y direccionales y de alarma; la administración de la electricidad a través de baterías, paneles solares, transformadores, etc.; la comunicación, a través de un sistema de radio y antenas en especial orientadas.

Consecuencias de la ingravidez

-Fuerza al cuerpo humano a reacondicionar sus sistemas, especialmente, el cardiovascular, el óseo y el muscular.

-Provoca, a lo largo de los recorridos largos, la pérdida de tejido óseo y muscular, lo que afecta aún al corazón.

Estos efectos negativos son combatidos a través de estrictas rutinas de ejercicio, lo que contrarresta en parte la pérdida de tejido.

-La ingravidez causa que las funciones más básicas, como alimentarse y tomar líquidos, sean experiencias complejas; las partículas y los líquidos tienden a flotar con libertad por el interior de la nave, lo que puede causar desperfectos.

-Otra aventura es la evacuación de los desechos orgánicos del cuerpo, los que acostumbran a ser procesados, guardados y sellados para un siguiente análisis.

Radiaciones

  Además contamos con las radiaciones a las que están expuestos los astronautas. Un estudio reciente llevado a cabo por la escuela de Medicina de la Universidad de California, Estados Unidos, concluye que los rayos cósmicos pueden provocar daños cerebrales permanentes en los astronautas.

  La exposición prolongada a las partículas latamente energéticas que están continuamente bombardeando a los astronautas durante los viajes espaciales, provocan daños en el sistema nervioso central, dando lugar al deterioro cognitivo, lo cual redunda en problemas de memoria, pérdida de conciencia, disminución del rendimiento cognitivo y pérdida de atención.

  El experimento fue probado en ratones y los resultados evidencian que la exposición a estas partículas dio lugar a la inflamación en los cerebros de los roedores. También se dio cuenta de que estas partículas de alta energía provocaban la rotura de las dendritas, una circunstancia asociada a enfermedades como el alzheimer.

Fases de la ignición

  Una vez terminada la cuenta empieza la ignición de la primera fase del sistema de cohetes. Este instante recubre singular dramatismo, de forma especial para las tripulaciones que pueden encontrarse a bordo.

  La nave es elevada progresivamente, acelerando de manera continua. Las fuertes tensiones-el estruendo y los movimientos- que produce el empuje prueban la resistencia de los materiales y el adiestramiento de los astronautas.

  Una vez alcanzadas las capas superiores de la atmósfera el roce de la nave reduce, tal como el estruendo y el movimiento. Las diferentes secciones de la nave se marchan desprendiendo una a una y la nave entra en la órbita asignada.

Otras técnicas

  La aceleración de las naves a través de largas rampas de lanzamiento, aplicando el principio del electromagnetismo, como un "cañón espacial"; la construcción de un elevador espacial, a través de un sistema de anclaje puesto en órbita. La propuesta más viable es la construcción de una lanzadera que despegue a forma de un aeroplano usual, o bien que sea lanzada a una órbita baja por un transporte aéreo de gran altura.

E-Vela

  La E-vela, o vela eléctrica por viento solar, es una novedosa tecnología de propulsión para vuelos espaciales que fue inventada en Finlandia en 2006. La E-vela utiliza largas correas electrodinámicas para convertir el flujo natural de impulso del viento solar en empuje para naves espaciales. 

  Según una investigación dirigida por Pekka Janhunen, del Instituto Meteorológico Finlandés, la E-vela podría hacer factible la minería de asteroides, proporcionando logística prácticamente gratuita en el sistema solar externo a la magnetosfera de la Tierra, que haría posibles los viajes tripulados de ida y vuelta a Marte. 

E-vela

  La E-vela utiliza la presión dinámica del viento solar como fuente de impulso, mediante un campo eléctrico que desvía los protones del viento solar y extrae su momento o impulso. Tiene poco en común con la vela solar tradicional. La E-vela recibe su impulso de los iones del viento solar, mientras que una vela fotónica es impulsada por los fotones. 

  En la E-vela, lo que hace de vela son las correas conductoras (cables) que se colocan radialmente alrededor de la nave. Los cables están eléctricamente cargados y por lo tanto se crea un campo eléctrico alrededor de los cables, que se extiende hasta unas decenas de metros hacia el viento solar circundante.

E-vela

Idea II. Estudio de radiación. Santuario.

Radiaciones. Introducción

    Durante el transcurso de un vuelo espacial los astronautas reciben importantes dosis de radiación. Aunque no constituye un obstáculo importante para misiones de corta duración, la radiación se convierte en un inmenso problema si queremos vivir en el espacio de forma indefinida o viajar por el Sistema Solar. A pesar de haber pasado varias décadas estudiando los efectos de la radiación en el ser humano somos capaces de predecir con precisión el impacto de la radiación espacial en el ser humano desconocemos muchos de sus efectos a largo plazo. 

    En los orígenes muchos pensaban que cualquier ser humano que se aventurase más allá de la atmósfera terrestre sería víctima de dosis de radiación mortales que lo matarían instantáneamente o, quizás, lo convertirían en una especie de monstruo mutante. Las primeras misiones espaciales demostraron la existencia de un flujo constante de partículas energéticas en el espacio, pero al mismo tiempo se pudo comprobar que las dosis no eran letales. 

    A diferencia de los que mucha gente piensa, el espacio cercano a la Tierra no es un lugar “vacío”, sino que está repleto de todo tipo de partículas. Algunas de estas partículas tienen la energía suficiente para causar daños en nuestro organismo y romper el ADN de nuestras células, esta es la radiación ionizante, que, como sabemos, significa cáncer. 

    Bien, sabiendo esto, ¿Cómo podemos medir las dosis de radiación? En el Sistema Internacional de unidades se utiliza el gray (Gy) para medir la dosis absorbida de radiación, unidad que sustituye al tradicional rad (1 Gy = 100 rad). Una radiación de un gray deposita un julio (1 J) de energía en un kilogramo de materia. No todos los tipos de radiaciones tienen el mismo poder de penetración, así que la dosis absorbida depende fuertemente de la naturaleza de las partículas incidentes. 

    Si lo que nos interesa es medir los efectos de la radiación en el ser humano, la dosis absorbida no es una magnitud especialmente útil, ya que los efectos de la radiación varían según el tipo de órganos irradiados. Por eso empleamos el concepto de dosis equivalente, que es similar a la dosis absorbida pero corregida para tener en cuenta los daños en el tejido vivo. Su unidad es el sievert (Sv, 1 Sv = 100 rem). Como es sabido, no existe una dosis mínima que pueda causar daños. A priori, cualquier dosis de radiación es capaz de provocar cáncer, aunque obviamente la probabilidad dependerá de la dosis. 

    Una persona suele recibir a lo largo de un año una dosis de unos 3,6 milisievert (mSv) -es decir, 0,0036 Sv- por causas naturales. Entre ellas, los rayos cósmicos. Por otro lado, tan importante como la dosis es el tiempo de exposición. Decir que una persona ha sufrido una dosis de 1 mSv no significa nada si no especificamos la duración de la irradiación.

Estudios de la radiación en misiones espaciales 

    La gran mayoría de astronautas ha viajado a la órbita baja terrestre (LEO), donde predominan los efectos debidos a los cinturones Van Allen. Las dosis en LEO dependen, por tanto, de la actividad solar. Dentro de la ISS suelen mantenerse en el rango de 0,4-1,1 mSv al día, incluyendo los efectos del blindaje. Las expediciones de larga duración permanecen seis meses en órbita, así que la dosis equivalente alcanza valores de 70-500 mSv al año.

Fuente: NASA

    En esta gráfica se observa la radiación recibida por los astronautas (mSv) al día en las distintas misiones a mayor o menor altura a lo largo de los últimos 60 años. Los puntos verdes son las misiones Apolo. Se puede ver como las misiones en LEO con alturas e inclinaciones elevadas pueden sufrir dosis de radiación similares a las del Apolo (NASA). 

    Estas dosis recibidas son realmente altas. Países como España y EEUU limita en 50 mSv la dosis anual máxima que puede recibir un trabajador en un ambiente sometido a radiación. Hay otras profesiones como, por ejemplo, los pilotos de avión que vuelan en trayectos intercontinentales, que pueden recibir 1-5 mSv/año por culpa de los rayos cósmicos. La NASA decidió en 2000 revisar a la baja las dosis máximas que podían recibir, de tal modo que la probabilidad de sufrir un cáncer mortal a lo largo de su vida por culpa de la radiación no supere el 3%.

Dosis de radiación máximas para la NASA. 

    Estas dosis se han determinado a partir de los datos obtenidos por exposiciones a los rayos gamma o rayos X, pero hay un escaso conocimiento sobre los efectos de los núcleos pesados en el organismo humano, siendo una parte fundamental de los rayos cósmicos y que resulta muy difícil reducir sus efectos, a diferencia de lo que sucede con los SPE. Lamentablemente, los datos disponibles sugieren que los tumores generados por la acción de los núcleos pesados son más agresivos y tienden a aparecer antes.

Tabla con dosis medias de radiación diaria en distintas misiones espaciales (NASA). 

Dosis máximas por astronauta a lo largo de la carrera espacial (NASA).

No obstante, ¿Cuál es el incremento de dosis de radiación cuando salimos de la nave en una misión extravehicular (EVA) a distintas alturas?

Gráfica de comparación entre las dosis recibidas por astronautas que realizan EVAs en órbita baja y los que no. No se aprecian grandes diferencias (NASA). (STS es el nombre de las misiones). 

Sistemas de detección de radiaciones

    Para detectar las radiaciones nos servimos de distintos utensilios incorporados en la nave. Por ejemplo: 

    El monitor de radiación de área. Tiene como objetivo medir particular cargadas (electrones, protones, alfas) cubriendo el espectro de flujos y de energías en distintas condiciones de actividad solar.

Fuente: NASA

    El espectrómetro de partículas cargadas direccional extravehicular (EV-CPDS) sirve para medir la carga y flujo de partículas cargadas en el exterior de la nave.

Fuente: NASA

    El Contador Proporcional Equivalente de Tejidos (TEPC) es usado para definir el entorno de radiación. El propósito del TEPC es recopilar un registro del entorno de la Estación Espacial Internacional (ISS) para construir los registros del historial de exposición de la tripulación. TEPC también proporcionará mediciones casi en tiempo real al personal en la Tierra durante los eventos de radiación y realizará mediciones topográficas en diferentes partes del ISS para verificaciones de blindaje. 

Fuente: NASA

    Una vez hecho el estudio estadístico sobre las dosis de radiación recibidas hemos de elaborar un plan para evitar o reducir cuanto podamos su efecto y penetración. 

Planes de protección vigentes contra la radiación.

    La mejor defensa es, simple y llanamente, realizar vuelos espaciales de corta duración. Esta sencilla técnica permitió limitar la dosis recibida por los astronautas de las misiones Apolo a pesar de que viajaron fuera de la protección de los cinturones de radiación. Al ser corta la duración, las probabilidades de que tenga lugar un SPE es mínima, recurriendo a una “Protección estadística”. 

    Sin embargo, en una misión a Marte tenemos que lidiar con estos inconvenientes pues en la duración de un viaje al planeta rojo se pueden sufrir fácilmente uno o dos SPE. Además, los rayos cósmicos -prácticamente insignificantes en los vuelos orbitales- cobran una enorme relevancia en estas misiones interplanetarias de larga duración.

Fuente: NASA

    Las misiones Apolo no sufrieron grandes dosis de radiación gracias a su corta duración (NASA). 

    Las misiones a Marte se dividen en conjunción y oposición. Las misiones de conjunción determinan una larga periodo en la superficie (300-600 días) y un viaje de ida de 150-250 días (dependiendo de la posición relativa de los planetas). Por otra parte, las misiones de oposición contemplan estancias cortas, de sólo 20-60 días, y tempos de viaje de 100-400 días. Los efectos de la radiación serían menores en el caso de las misiones de conjunción, ya que durante la estancia en Marte se reducirían considerablemente las dosis gracias a la masa del planeta y su tenue atmósfera.

Radiación en la superficie de Marte. Fuente: NASA

    Dosis de radiación en la superficie marciana debidas a los rayos cósmicos. Las regiones más altas son las menos protegidas, al estar situadas fuera de la atmósfera (NASA). 

    Por lo tanto, es obvio que una nave marciana debería estar dotada de un “refugio” especial para proteger a los astronautas de los SPE. Los materiales que mejor frenan la radiación formada por protones son aquellos con elementos de bajo número atómico, como el hidrógeno. Pero nos quedan los núcleos pesados de los rayos cósmicos. Y aquí está el problema. Los núcleos pesados provenientes de los rayos cósmicos se mueven a velocidades relativistas, así que cuando chocan con la estructura metálica de una nave espacial generan una cascada de partículas secundarias, como hemos explicado en el desarrollo de los rayos cósmicos. Estas partículas secundarias constituyen una fuente de radiación adicional muy preocupante. Es por ello que, en ocasiones, la estructura de acero o aluminio de una nave espacial no disminuye la dosis de radiación, sino que la aumenta. 

    Por lo tanto, el empleo de varias capas de polietileno (hidrocarburo rico en hidrógeno) y agua se cree que es la mejor forma de proteger a los tripulantes de una nave, al menos en el caso de los SPE. Otra opción sería incluir un blindaje activo mediante campos magnéticos o electrostáticos. Sin embargo, hasta ahora, este sistema consumiría mucha energía.

Blindaje contra la radiación según materiales de diferente densidad (NASA). 

    Comparamos la densidad del material (Shield thickness) con la dosis recibida una vez traspasado.

Efectividad de varios blindajes de prueba en dos misiones del shuttle (NASA). 

    Como observamos cuanta más densidad de escudo en el polietileno su protección aumenta gratamente mientras que con el aluminio es prácticamente invariable. 

Análisis de radiación en distintos órganos según ell estudio Wilson et al. 1999a

    En definitiva, la radiación en el espacio no ha resultado ser un obstáculo para alcanzar la órbita terrestre. Pero si en el futuro queremos vivir en otros planetas, no nos queda otra opción que aprender a protegernos de este enemigo invisible.

Santuario

  La idea principal del Santuario, trata sobre el blindaje de la nave espacial con un electroimán en su interior, de modo que las ondas radiaciones cósmicas se repelan al acercarse a dicha nave. Pero surge un problema, y es que la radiaciones electromagnéticas en grandes cantidades también perjudica la salud de los astronautas. Por ello hemos optado por la creación de un Santuario dentro de la propia nave para que no infieran las ondas en él. Este Santuario estaría reforzado con una capa de hidrógeno, puesto que este elemento es capaz de absorber casi por completa la radiación electromagnética, como en el fenómeno de la jaula de Faraday; por esta razón el astronauta iría bastante seguro en su interior.

Santuario

Conclusiones

- Hemos ampliado nuestros conocimientos holgadamente sobre el tema tratado así como de los que le rodean adoptando una visión más clara sobre los conceptos astrofísicos, a pesar de la gran cantidad de información y estudios que existen hoy en día.

- Hemos compartido los conocimientos con la creación del blog para Esdelibro, mediante las exposiciones en distintas clases, con la participación en el congreso de investigadores de Murcia, dedicado para los alumnos en la asignatura de investigación, con la realización de un póster y la participación en el concurso CienciaClip con el video que observaran a continuación:

 

Póster realizado:




Exposición en Powerpoint:

- Proponemos la e-vela como método de obtención de energía durante el trayecto y una vez en Marte, a excepción del despegue.

- Con nuestro estudio teórico suponemos una reducción de la radiación recibida de forma notable y eficiente, aprovechando materiales de la propia nave con el fin de reducir su peso.

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