Se han propuesto varias tecnologías que ahorran combustible y proporcionan un viaje significativamente más rápido que la metodología tradicional de utilizar las transferencias de Hohmann. Algunas son todavía sólo teóricas, pero con el tiempo, varios de los enfoques teóricos han sido probados en misiones de vuelos espaciales. Por ejemplo, la misión Deep Space 1 fue una prueba exitosa de un propulsor iónico. Estas tecnologías mejoradas suelen centrarse en uno o más de los siguientes aspectos:

• Sistemas de propulsión espacial con un ahorro de combustible mucho mayor. Tales sistemas permitirían viajar mucho más rápido manteniendo el coste del combustible dentro de límites aceptables.
• Utilizar la energía solar y la utilización de recursos in situ para evitar o minimizar la costosa tarea de transportar componentes y combustible desde la superficie de la Tierra, en contra de la gravedad terrestre (véase «Utilización de recursos no terrestres», más adelante).
• Metodologías novedosas de utilización de la energía en diferentes lugares o de diferentes maneras que puedan acortar el tiempo de transporte o reducir el coste por unidad de masa del transporte espacial

Además de hacer que los viajes sean más rápidos o que cuesten menos, estas mejoras también podrían permitir mayores «márgenes de seguridad» en el diseño al reducir el imperativo de hacer más ligeras las naves espaciales.

Conceptos mejorados de cohetesEditar

Todos los conceptos de cohetes están limitados por la ecuación de los cohetes, que establece la velocidad característica disponible en función de la velocidad de escape y la relación de masas, de la masa inicial (M0, incluyendo el combustible) a la final (M1, con el combustible agotado). La principal consecuencia es que las velocidades de misión de más de unas pocas veces la velocidad del escape del motor del cohete (con respecto al vehículo) se vuelven rápidamente impracticables.

Cohetes térmicos nucleares y térmicos solaresEditar

En un cohete térmico nuclear o en un cohete térmico solar se calienta un fluido de trabajo, normalmente hidrógeno, a una alta temperatura, y luego se expande a través de una tobera del cohete para crear empuje. La energía sustituye a la energía química de las sustancias químicas reactivas en un motor de cohete tradicional. Debido a la baja masa molecular y, por tanto, a la alta velocidad térmica del hidrógeno, estos motores son al menos dos veces más eficientes en cuanto a combustible que los motores químicos, incluso después de incluir el peso del reactor.

La Comisión de Energía Atómica de EE.UU. y la NASA probaron algunos diseños entre 1959 y 1968. Los diseños de la NASA fueron concebidos como sustitutos de las etapas superiores del vehículo de lanzamiento Saturno V, pero las pruebas revelaron problemas de fiabilidad, causados principalmente por la vibración y el calentamiento que implica el funcionamiento de los motores a niveles de empuje tan elevados. Las consideraciones políticas y medioambientales hacen improbable el uso de un motor de este tipo en un futuro próximo, ya que los cohetes térmicos nucleares serían más útiles en la superficie terrestre o cerca de ella y las consecuencias de un mal funcionamiento podrían ser desastrosas. Los conceptos de cohetes térmicos basados en la fisión producen velocidades de escape más bajas que los conceptos eléctricos y de plasma descritos a continuación, por lo que son soluciones menos atractivas. Para aplicaciones que requieren una alta relación empuje-peso, como el escape planetario, la térmica nuclear es potencialmente más atractiva.

Propulsión eléctricaEditar

Los sistemas de propulsión eléctrica utilizan una fuente externa, como un reactor nuclear o células solares, para generar electricidad, que luego se utiliza para acelerar un propulsor químicamente inerte a velocidades muy superiores a las que se alcanzan en un cohete químico. Estos propulsores producen un empuje débil, por lo que son inadecuados para maniobras rápidas o para el lanzamiento desde la superficie de un planeta. Pero son tan económicos en su uso de la masa de reacción que pueden seguir disparando continuamente durante días o semanas, mientras que los cohetes químicos consumen la masa de reacción tan rápidamente que sólo pueden disparar durante segundos o minutos. Incluso un viaje a la Luna es lo suficientemente largo como para que un sistema de propulsión eléctrica supere a un cohete químico: las misiones Apolo tardaron 3 días en cada dirección.

El Deep Space One de la NASA fue una prueba muy exitosa de un prototipo de propulsión iónica, que disparó durante un total de 678 días y permitió a la sonda descender el cometa Borrelly, una hazaña que habría sido imposible para un cohete químico. Dawn, la primera misión operativa de la NASA (es decir, no de demostración tecnológica) que utilizó un propulsor iónico para su propulsión primaria, orbitó con éxito los grandes asteroides del cinturón principal 1 Ceres y 4 Vesta. Una versión más ambiciosa, con propulsión nuclear, estaba destinada a una misión a Júpiter sin tripulación humana, el Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), cuyo lanzamiento estaba previsto en algún momento de la próxima década. Debido a un cambio de prioridades en la NASA que favorecía las misiones espaciales con tripulación humana, el proyecto perdió su financiación en 2005. Actualmente se está debatiendo una misión similar como componente estadounidense de un programa conjunto de la NASA y la ESA para la exploración de Europa y Ganímedes.

Un equipo de evaluación de aplicaciones tecnológicas de la NASA, dirigido por el Centro de Vuelos Espaciales Johnson, ha descrito en enero de 2011 el «Nautilus-X», un estudio conceptual para un vehículo de exploración espacial multimisión útil para misiones más allá de la órbita terrestre baja (LEO), de hasta 24 meses de duración para una tripulación de hasta seis personas. Aunque el Nautilus-X es adaptable a una variedad de unidades de propulsión específicas para la misión de diversos diseños de bajo empuje y alto impulso específico (Isp), el propulsor nuclear iónico-eléctrico se muestra con fines ilustrativos. Está pensado para su integración y comprobación en la Estación Espacial Internacional (ISS), y sería adecuado para misiones en el espacio profundo desde la ISS hasta la Luna y más allá, incluyendo destinos orbitales Tierra/Luna L1, Sol/Tierra L2, asteroides cercanos a la Tierra y Marte. Incorpora una centrifugadora de gravedad reducida que proporciona gravedad artificial para la salud de la tripulación para mejorar los efectos de la exposición a 0g a largo plazo, y la capacidad de mitigar el entorno de radiación espacial.

Cohetes impulsados por fisiónEditar

Las misiones de propulsión eléctrica ya voladas, o actualmente programadas, han utilizado energía eléctrica solar, lo que limita su capacidad para operar lejos del Sol, y también limita su aceleración máxima debido a la masa de la fuente de energía eléctrica. Los motores nucleares-eléctricos o de plasma, que funcionan durante largos periodos de tiempo con poco empuje y son alimentados por reactores de fisión, pueden alcanzar velocidades muy superiores a las de los vehículos alimentados químicamente.

Cohetes de fusiónEditar

Los cohetes de fusión, alimentados por reacciones de fusión nuclear, «quemarían» combustibles de elementos ligeros como el deuterio, el tritio o el 3He. Dado que la fusión produce alrededor del 1% de la masa del combustible nuclear como energía liberada, es energéticamente más favorable que la fisión, que libera sólo alrededor del 0,1% de la masa-energía del combustible. Sin embargo, tanto las tecnologías de fisión como las de fusión pueden, en principio, alcanzar velocidades muy superiores a las necesarias para la exploración del Sistema Solar, y la energía de fusión aún está pendiente de demostración práctica en la Tierra.

Una propuesta de cohete de fusión fue el Proyecto Dédalo. Otro sistema vehicular bastante detallado, diseñado y optimizado para la exploración del Sistema Solar con tripulación, el «Discovery II», basado en la reacción D3He pero utilizando hidrógeno como masa de reacción, ha sido descrito por un equipo del Centro de Investigación Glenn de la NASA. Alcanza velocidades características de >300 km/s con una aceleración de ~1,7-10-3 g, con una masa inicial de la nave de ~1700 toneladas métricas, y una fracción de carga útil superior al 10%.

Propulsión exóticaEditar

Véase el artículo sobre la propulsión de las naves espaciales para una discusión de una serie de otras tecnologías que podrían, a medio y largo plazo, ser la base de las misiones interplanetarias. A diferencia de lo que ocurre con los viajes interestelares, los obstáculos para los viajes interplanetarios rápidos tienen que ver con la ingeniería y la economía más que con la física básica.

Velas solaresEditar

Las velas solares se basan en el hecho de que la luz reflejada en una superficie ejerce presión sobre la misma. La presión de la radiación es pequeña y disminuye por el cuadrado de la distancia al Sol, pero a diferencia de los cohetes, las velas solares no requieren combustible. Aunque el empuje es pequeño, continúa mientras el Sol brille y la vela esté desplegada.

El concepto original se basaba sólo en la radiación del Sol -por ejemplo, en la historia de Arthur C. Clarke de 1965 «Sunjammer». Los diseños más recientes de velas ligeras proponen aumentar el empuje apuntando a la vela con láseres o máseres terrestres. Los láseres o máseres terrestres también pueden ayudar a una nave espacial de vela ligera a desacelerar: la vela se divide en una sección exterior y otra interior, la sección exterior se empuja hacia delante y su forma se modifica mecánicamente para enfocar la radiación reflejada en la parte interior, y la radiación enfocada en la sección interior actúa como freno.

Aunque la mayoría de los artículos sobre las velas solares se centran en los viajes interestelares, ha habido varias propuestas para su uso dentro del Sistema Solar.

Actualmente, la única nave espacial que utiliza una vela solar como método principal de propulsión es IKAROS, que fue lanzada por JAXA el 21 de mayo de 2010. Desde entonces se ha desplegado con éxito y se ha demostrado que produce la aceleración esperada. Muchas naves espaciales y satélites ordinarios también utilizan colectores solares, paneles de control de temperatura y parasoles como velas ligeras, para realizar pequeñas correcciones de su actitud y órbita sin utilizar combustible. Algunos incluso han tenido pequeñas velas solares construidas a propósito para este uso (por ejemplo, los satélites de comunicaciones geoestacionarios Eurostar E3000 construidos por EADS Astrium).

CicladoresEditar

Es posible poner estaciones o naves espaciales en órbitas que hagan ciclos entre diferentes planetas, por ejemplo, un ciclador de Marte haría un ciclo sincrónico entre Marte y la Tierra, con muy poco uso de propulsor para mantener la trayectoria. Los cicladores son conceptualmente una buena idea, porque los escudos de radiación masiva, el soporte vital y otros equipos sólo tienen que ponerse en la trayectoria del ciclador una vez. Un ciclador podría combinar varias funciones: hábitat (por ejemplo, podría girar para producir un efecto de «gravedad artificial»); nave nodriza (proporcionando soporte vital a las tripulaciones de las naves espaciales más pequeñas que se suban a él). Los cicladores también podrían ser excelentes naves de carga para el reabastecimiento de una colonia.

Ascensor espacialEditar

Un ascensor espacial es una estructura teórica que transportaría material desde la superficie de un planeta hasta la órbita. La idea es que, una vez completado el costoso trabajo de construir el ascensor, se pueda transportar un número indefinido de cargas a la órbita con un coste mínimo. Incluso los diseños más sencillos evitan el círculo vicioso de los lanzamientos de cohetes desde la superficie, en los que el combustible necesario para recorrer el último 10% de la distancia hasta la órbita debe levantarse desde la superficie, lo que requiere aún más combustible, y así sucesivamente. Los diseños más sofisticados de ascensores espaciales reducen el coste energético por viaje mediante el uso de contrapesos, y los esquemas más ambiciosos pretenden equilibrar las cargas que suben y bajan y así hacer que el coste energético sea casi nulo. Los ascensores espaciales también han sido denominados a veces «beanstalks», «puentes espaciales», «ascensores espaciales», «escaleras espaciales» y «torres orbitales».

Un ascensor espacial terrestre está más allá de nuestra tecnología actual, aunque un ascensor espacial lunar podría construirse teóricamente utilizando los materiales existentes.

SkyhookEdit

Un skyhook es una clase teórica de propulsión de anclaje en órbita destinada a elevar cargas útiles a grandes altitudes y velocidades. Las propuestas de skyhooks incluyen diseños que emplean correas de sujeción que giran a velocidad hipersónica para atrapar cargas útiles de alta velocidad o aeronaves de gran altitud y ponerlas en órbita. Además, se ha sugerido que el skyhook giratorio «no es viable desde el punto de vista de la ingeniería utilizando los materiales actualmente disponibles».

Reutilización del vehículo de lanzamiento y de la nave espacialEditar

La nave estelar de SpaceX, cuyo lanzamiento inaugural está previsto para no antes de 2020, está diseñada para ser total y rápidamente reutilizable, haciendo uso de la tecnología reutilizable de SpaceX que se desarrolló durante 2011-2018 para los vehículos de lanzamiento Falcon 9 y Falcon Heavy.

El CEO de SpaceX, Elon Musk, estima que la capacidad de reutilización por sí sola, tanto en el vehículo de lanzamiento como en la nave espacial asociada a la Starship, reducirá los costes globales del sistema por tonelada entregada a Marte en al menos dos órdenes de magnitud respecto a lo que la NASA había logrado anteriormente.

Propulsores de puesta en escenaEditar

Cuando se lanzan sondas interplanetarias desde la superficie de la Tierra, llevando toda la energía necesaria para la misión de larga duración, las cantidades de carga útil son necesariamente muy limitadas, debido a las limitaciones de masa base descritas teóricamente por la ecuación del cohete. Una alternativa para transportar más masa en trayectorias interplanetarias es utilizar casi todo el propulsor de la etapa superior en el lanzamiento, y luego rellenar los propulsores en la órbita terrestre antes de disparar el cohete a la velocidad de escape para una trayectoria heliocéntrica. Estos propulsores podrían almacenarse en órbita en un depósito de propulsores, o llevarse a la órbita en un buque cisterna de propulsores para ser transferidos directamente a la nave interplanetaria. Para devolver la masa a la Tierra, una opción relacionada es extraer materias primas de un objeto celeste del sistema solar, refinarlas, procesarlas y almacenar los productos de reacción (propulsor) en el cuerpo del sistema solar hasta el momento en que sea necesario cargar un vehículo para su lanzamiento.

Transferencias de cisternas en órbitaEditar

A partir de 2019, SpaceX está desarrollando un sistema en el que un vehículo de primera etapa reutilizable transportaría una nave espacial interplanetaria tripulada a la órbita de la Tierra, se desprendería, volvería a su plataforma de lanzamiento donde se montaría una nave espacial cisterna encima de ella, entonces ambos se abastecerían de combustible, y luego se lanzaría de nuevo para reunirse con la nave espacial tripulada en espera. La nave cisterna transferirá entonces su combustible a la nave tripulada para que lo utilice en su viaje interplanetario. La Starship de SpaceX es una nave espacial con estructura de acero inoxidable propulsada por seis motores Raptor que funcionan con propulsores de metano/oxígeno densificado. Mide 55 m de largo y 9 m de diámetro en su parte más ancha, y es capaz de transportar hasta 100 toneladas de carga y pasajeros por viaje a Marte, con recarga de propulsor en órbita antes de la parte interplanetaria del viaje.

Planta de propulsores en un cuerpo celesteEditar

Como ejemplo de un proyecto financiado y actualmente en desarrollo, una parte clave del sistema que SpaceX ha diseñado para Marte con el fin de disminuir radicalmente el coste de los vuelos espaciales a destinos interplanetarios es la colocación y el funcionamiento de una planta física en Marte que se encargue de la producción y el almacenamiento de los componentes propulsores necesarios para lanzar y hacer volar las naves estelares de vuelta a la Tierra, o tal vez para aumentar la masa que se puede transportar hacia destinos en el Sistema Solar exterior.

La primera nave estelar a Marte llevará una pequeña planta de propulsión como parte de su carga. La planta se ampliará a lo largo de varios sínodos a medida que llegue más equipo, se instale y se ponga en producción de forma mayoritariamente autónoma.

La planta de propulsores de SpaceX aprovechará las grandes reservas de dióxido de carbono y recursos hídricos de Marte, extrayendo el agua (H2O) del hielo subterráneo y recogiendo el CO2 de la atmósfera. Una planta química procesará las materias primas mediante electrólisis y el proceso Sabatier para producir oxígeno (O2) y metano (CH4), y luego lo licuará para facilitar su almacenamiento a largo plazo y su uso final.

Utilización de recursos extraterrestresEditar

Los vehículos espaciales actuales intentan lanzarse con todo el combustible (propulsores y suministros de energía) a bordo que necesitarán para todo su viaje, y las estructuras espaciales actuales se levantan desde la superficie de la Tierra. Las fuentes no terrestres de energía y materiales están en su mayoría mucho más lejos, pero la mayoría no requerirían ser levantadas fuera de un fuerte campo gravitatorio y, por lo tanto, deberían ser mucho más baratas de utilizar en el espacio a largo plazo.

El recurso no terrestre más importante es la energía, porque puede utilizarse para transformar materiales no terrestres en formas útiles (algunas de las cuales también pueden producir energía). Se han propuesto al menos dos fuentes fundamentales de energía no terrestre: la generación de energía por medio de la energía solar (no obstaculizada por las nubes), ya sea directamente por medio de células solares o indirectamente por medio de la concentración de la radiación solar en calderas que produzcan vapor para accionar generadores; y las ataduras electrodinámicas que generan electricidad a partir de los potentes campos magnéticos de algunos planetas (Júpiter tiene un campo magnético muy potente).

El hielo de agua sería muy útil y está muy extendido en las lunas de Júpiter y Saturno:

• La baja gravedad de estas lunas las convertiría en una fuente de agua más barata para las estaciones espaciales y las bases planetarias que subirla desde la superficie de la Tierra.
• Las fuentes de energía no terrestres podrían utilizarse para electrolizar el hielo de agua en oxígeno e hidrógeno para su uso en motores de cohetes bipropelentes.
• Los cohetes térmicos nucleares o los cohetes térmicos solares podrían utilizarlo como masa de reacción. El hidrógeno también se ha propuesto para su uso en estos motores y proporcionaría un impulso específico mucho mayor (empuje por kilogramo de masa de reacción), pero se ha afirmado que el agua superará al hidrógeno en términos de coste/rendimiento a pesar de su impulso específico mucho menor en órdenes de magnitud.

El oxígeno es un componente común de la corteza lunar, y probablemente es abundante en la mayoría de los demás cuerpos del Sistema Solar. El oxígeno no terrestre sería valioso como fuente de hielo de agua sólo si se puede encontrar una fuente adecuada de hidrógeno. Los posibles usos incluyen:

• En los sistemas de soporte vital de las naves espaciales, estaciones espaciales y bases planetarias.
• En motores de cohetes. Incluso si el otro propulsor tiene que ser levantado desde la Tierra, el uso de oxígeno no terrestre podría reducir los costes de lanzamiento del propulsor hasta en 2/3 en el caso del combustible de hidrocarburos, o en un 85% en el caso del hidrógeno. El ahorro es tan elevado porque el oxígeno representa la mayor parte de la masa en la mayoría de las combinaciones de propulsores de cohetes.

Desgraciadamente, el hidrógeno, junto con otros volátiles como el carbono y el nitrógeno, son mucho menos abundantes que el oxígeno en el Sistema Solar interior.

Los científicos esperan encontrar una amplia gama de compuestos orgánicos en algunos de los planetas, lunas y cometas del Sistema Solar exterior, y el abanico de posibles usos es aún más amplio. Por ejemplo, el metano puede utilizarse como combustible (quemado con oxígeno no terrestre), o como materia prima para procesos petroquímicos como la fabricación de plásticos. Y el amoníaco podría ser una valiosa materia prima para producir fertilizantes que se utilizarían en los huertos de las bases orbitales y planetarias, reduciendo la necesidad de transportar alimentos hasta ellas desde la Tierra.

Incluso la roca no procesada puede ser útil como propulsor de cohetes si se emplean impulsores de masa.