Juan Antonio Fernández MorenoAutor: Juan Antonio Fernández Moreno
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Fecha de publicación: julio de 2005.

"La Humanidad no quedará para siempre en la Tierra, sino, en busca de luz e inmensidades, primero se asomará tímidamente fuera de la atmósfera y luego conquistará todo el espacio circunsolar".

Con estas palabras describía el futuro del Hombre uno de los padres de la astronáutica, Konstantin E. Tsiolkovski (1857-1935). En la actualidad, uno de los factores que más dificultan la estancia de humanos en el Espacio durante largos periodos de tiempo, y por tanto su exploración, es la ausencia de gravedad. La llamada "gravedad cero" (en realidad se trata de un estado de microgravedad) ocasiona a los astronautas un número casi interminable de inconvenientes que complican enormemente su labor y acortan su permanencia en el Espacio. Es un problema bien conocido por las agencias espaciales, las cuales llevan intentado mitigar desde hace años el deterioro que el cuerpo humano sufre en tales condiciones.

En ausencia de gravedad los músculos del cuerpo encargados de contrarrestar esta fuerza dejan de sufrir las tensiones mecánicas habituales en la Tierra. Esto trae como consecuencia un rápido proceso atrófico por el cual un astronauta puede llegar a perder hasta un 20% de masa muscular en poco más de un mes. Por esta razón, los astronautas deben realizar a diario ejercicios físicos, antes, durante, y después de largas estancias en el Espacio.

Los trastornos cardiovasculares derivados son también varios[1]. En la Tierra, donde la fuerza de la gravedad vale aproximadamente 9,8 m/s2 (lo que se denomina 1 g), las 2/3 partes del volumen sanguíneo se acumulan en la parte inferior del cuerpo. En estado de ingravidez este volumen tiende a distribuirse por igual a lo largo de todo el cuerpo, lo que produce un incremento de presión en la cabeza, corazón y tórax. La nariz y los senos se congestionan, la cara se hincha, el cuello se dilata y las piernas adelgazan. Como consecuencia de este estado anómalo el organismo tiende a eliminar hasta un 22% de sangre, que cree innecesaria. Al disminuir el volumen sanguíneo el corazón reduce su frecuencia de latidos y tiende a atrofiarse.

La pérdida de masa ósea por desmineralización y descalcificación puede ser de hasta un 80%, con un ritmo mensual del 1%. Esto hace que los huesos se vuelvan frágiles, y aunque está comprobado que el ejercicio físico reduce significativamente esta pérdida, no la contrarresta. La posterior recuperación en la Tierra es lenta, pudiendo llegar a ocupar varios años. No obstante, algunos estudios sugieren que los huesos nunca llegan a recuperarse totalmente.

Por último, los trastornos del equilibrio, relacionados directamente con el sistema vestibular (situado en el oído interno), constituyen a veces un auténtico malestar para el astronauta[2]. Estos trastornos son una consecuencia de la pérdida de referencias: desaparece la sensación de peso y las nociones de arriba y abajo. En ocasiones surge el llamado "mal del espacio", un síndrome imprevisible de adaptación que afecta al 70% de los astronautas. Normalmente los síntomas suelen desaparecer al cabo de varios días mediante la ingestión de determinados comprimidos.

Cuando por fin un astronauta regresa a la Tierra, debe someterse a toda una serie de revisiones médicas y ejercicios físicos, que pueden durar desde unos días a varios meses, con el fin de readaptarse a la gravedad terrestre[3]. Pero en futuros vuelos tripulados en los que los astronautas no regresen a la Tierra, como puede ser un viaje a Marte, el proceso de readaptación sería extremadamente complicado.

Ante este panorama, la solución más razonable al problema parecer ser eliminar la causa que lo produce. Si la ingravidez conlleva todos los inconvenientes anteriormente descritos, generemos gravedad de forma artificial.

La rama de la física que estudia las distintas variables de un movimiento independientemente de las causas que lo originan es conocida como cinemática. Si nos fijamos en el movimiento circular uniforme, es posible utilizar la aceleración centrífuga para simular gravedad en una nave espacial. Esto no es algo nuevo, ya lo propuso como un proyecto viable en uno de sus diseños (Figura 1) el célebre Wernher von Braun (1912-1977), responsable de las V-2 alemanas, de poner en órbita el primer satélite artificial norteamericano y de enviar al Hombre a la Luna.

Figura 1
Figura 1: Estación espacial orbital diseñada por Wernher von Braun.
Imagen: Colliers Magazine, 1952

La expresión matemática que define la fuerza centrífuga en el movimiento circular uniforme es:

 F = ω2r(1)

donde F es la fuerza expresada en m/s2; ω es la velocidad angular expresada en rad/s; y r es el radio del brazo rotatorio expresada en metros. Si se convierten los m/s2 a unidades de gravedad terrestre (g) y los rad/s a revoluciones por minuto (rpm), la ecuación anterior (1) queda multiplicada por una constante:

 F ≈ 0,0011ω2r(2)

Por lo que, dejando a un lado los inconvenientes técnicos, para simular gravedad terrestre en una nave espacial tan sólo habría que ajustar los parámetros ω y r de forma que F valiese 1 g (aprox. 9,8 m/s2). Por ejemplo, haciendo ω igual a 10 y r igual a 9 (el sentido de giro es indiferente).

En el movimiento circular uniforme existe también una variable que define la velocidad lineal del objeto que gira, y viene dada por:

 ν = ωr(3)

En esta nueva ecuación ν está expresada en m/s y ω en rad/s. Pasando ν a km/h y ω a rpm, la ecuación (3) queda como:

 ν ≈ 0,3769ωr(4)

Valga como curiosidad resaltar que ésta es la base del conocido Ascensor Espacial. Siendo ω la velocidad de rotación de la Tierra, un supuesto Ascensor Espacial situado en el ecuador del planeta podría lanzar fácilmente una carga a la velocidad deseada (ν) con solamente soltarla a una determinada altura.

En la Figura 2 se muestran los parámetros descritos anteriormente y cómo estos actuarían en el astronauta y el entorno.

Figura 2
Figura 2: Radio del brazo rotatorio
(r), velocidad angular (ω), fuerza
centrífuga (F) y velocidad lineal (ν)

Según varios estudios, en una misión tripulada a Marte se podrían usar tres tipos diferentes de entornos de gravedad artificial (llamada normalmente AG por sus siglas en inglés: Artificial Gravity). El primero sería de 0,38 g, para simular la gravedad marciana; el segundo sería de 1 g, para simular la gravedad terrestre; y el tercero sería un entorno temporal, un módulo en donde los astronautas entrarían una vez al día, por ejemplo, para someterse a 1 g o más durante un tiempo, y luego salir de él para regresar de nuevo al estado de ingravidez.

Si se eligiera la primera opción, bastaría con dar valores a ω y r en la ecuación (2) y observar los resultados que aproximan F a 0,38. La Tabla 1 muestra estos resultados partiendo de ω y trabajando con valores enteros positivos (de 1 a 7) para simplificar los cálculos. También se incluye la velocidad lineal -ecuación (4)- para apreciar cómo varía ésta en función de ω y r.

ω (rpm)r (m)F (g)ν (km/h)
13460,3806130,4074
2870,382865,5806
3390,386144,0973
4220,387233,1672
5140,385026,3830
6100,396022,6140
770,377318,4681

Tabla 1: Resultados obtenidos en las ecuaciones (2) y (4)

La gráfica de la Figura 3 representa aquellos valores de ω y r para los que F vale exactamente 0,38 g. Como es obvio, los valores de la Tabla 1 están cercanos a la curva.

Figura 3
Figura 3: Radio del brazo rotatorio frente a velocidad angular para la
generación de 0,38 g

De esto se deduce que existen dos maneras distintas de generar entornos AG. La primera es utilizando un número elevado de revoluciones (ω) y un brazo rotatorio de radio (r) corto; la segunda es usando un número pequeño de revoluciones y un brazo rotatorio largo. Como en casi todo, cada una de ellas tiene sus ventajas e inconvenientes en la práctica. Mientras que los sistemas de brazo largo son más efectivos en entornos permanentes, es preferible utilizar sistemas de brazo corto en entornos temporales. Sin embargo, usar un brazo rotatorio largo, y por tanto un número pequeño de revoluciones, trae consigo ventajas inmediatas, como es reducir el efecto de alteración de la gravedad que ocasionan las fuerzas de Coriolis (el producto vectorial de la velocidad angular del entorno y la velocidad a la que se desplaza un astronauta dentro de él) y que experimentaría quien se moviese rápidamente por el interior del mismo. Especialmente quien se moviera a lo largo de uno de los radios, en dirección perpendicular al eje de rotación, subiendo o bajando por una escalera (Figura 4).

Figura 4
Figura 4: Cuando el astronauta asciende (A) es empujado hacia la
escalera como consecuencia de la perdida de velocidad lineal al disminuir
el radio. Cuando desciende (B) es empujado en sentido opuesto

Otra ventaja importante que se obtiene al utilizar un brazo largo es reducir la diferencia de gravedad existente entre las distintas partes del cuerpo. En un sistema de brazo corto, por ejemplo ω y r igual a 7, un astronauta de estatura elevada percibiría la diferencia entre la gravedad existente en su cabeza y la existente en sus pies (Figura 5).

Figura 5
Figura 5: Gravedad existente según el radio
de rotación

Ahora bien, en un viaje tripulado a Marte habría que transportar muchas otras cosas además de seres humanos. De hecho, el entorno habitable de la tripulación sería sólo una parte de la nave. Entonces, ¿para qué aplicar un entorno AG a toda la nave cuando sólo es necesario aplicarlo a una pequeña parte de ella? Hace ya varias décadas que los ingenieros se plantearon esta pregunta, y una de las respuestas fue utilizar una nave dividida en módulos, en la cual el entorno AG gira sobre un eje, dejando al resto de la estructura en estado de ingravidez. Con este tipo de arquitectura las pérdidas de velocidad angular (y por tanto de fuerza centrífuga) derivadas del rozamiento producido en el eje de rotación serían compensadas con el encendido periódico de pequeños impulsores situados en posiciones opuestas o equidistantes en el borde exterior del entorno rotatorio (anillo). Un punto a tener en cuenta en este sistema es la rotación residual transmitida a través del eje a consecuencia de la conservación del momento angular, que tenderá a hacer girar la nave en sentido contrario. Este problema podría solucionarse colocando un segundo anillo de igual tamaño que girase en sentido contrario al primero, anulando así ese momento y dejando al resto de la nave en gravedad cero. Aunque en un principio la posición ideal para colocar los anillos parece ser el centro de la nave (de esta forma la tripulación tendrían acceso a cualquier parte de ella recorriendo como máximo la mitad de la longitud total de la misma), esto dificultaría el acoplamiento con el Módulo de Descenso/Ascenso (MDA) en caso de querer utilizar el mismo sistema en el viaje de regreso. La Figura 6 muestra una posible subsecuencia para la misión.

Figura 6
Figura 6: A su llegada a Marte los anillos rotatorios dejan de girar y el
MDA se separa de ellos para descender a la superficie (1). Una vez
acabada la misión la etapa superior del MDA se acopla de nuevo al
sistema de anillos (2), que comienza a girar de nuevo para regresar
a la Tierra. El combustible para la vuelta puede producirse in-situ,
como describe el plan Mars Direct[4]

Existen otros diseños, como el propuesto dentro del mencionado plan Mars Direct, en los que se utiliza un sistema de cables, colocando en un extremo un hábitat cilíndrico y en el otro un contrapeso para así hacer girar toda la estructura entorno a su centro de gravedad. En este diseño los cables jugarían un papel fundamental, ya que la ruptura de los mismos (además de deshacer el entorno AG) daría al traste con la misión, por lo que estos deberían ser construidos con materiales especiales de gran resistencia. Usando como contrapeso una pieza que no sea crucial para la misión, como por ejemplo la etapa aceleradora que quedó vacía de combustible tras impulsar la nave hacia Marte, se minimizarían los riesgos del viaje. Aún así, muchos científicos rechazan este tipo de arquitectura a causa de la aparente fragilidad que representa un sistema rotatorio basado en cables.

Según todo lo explicado con anterioridad, una buena opción para un viaje a Marte con un entorno permanente de gravedad artificial podría ser utilizar un sistema con una velocidad angular de 5 rpm y un radio de 14 m (F = 0,3850 g). Brazos con radios de mayor longitud complicarían técnica y económicamente la construcción de la nave, y brazos con radios de menor longitud harían que los astronautas tuvieran que sufrir las complicaciones citadas anteriormente.

Todo esto ocurriría en naves interplanetarias diseñadas para viajar. Sin embargo, en estructuras de mayor tamaño que no necesiten desplazarse, como pueden ser estaciones orbitales o colonias espaciales, lo ideal es que toda la estructura sea un anillo. Mejor aún, un cilindro[5], utilizando un brazo rotatorio muy grande y un número de revoluciones muy pequeño (Figura 7).

Figura 7
Figura 7: Interior del anillo de una estación orbital con un gran brazo de
rotación. Imagen: "2001: Una odisea del espacio", Stanley Kubrick, 1968

Debido a que las soluciones habituales para evitar los efectos de la ingravidez parecen ser insuficientes en la práctica, diversos institutos de investigación centran actualmente sus estudios en la gravedad artificial. El Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT)[6] y el Instituto Nacional de Investigación Biomédica Espacial (NSBRI)[7] llevan años estudiando de forma conjunta los problemas que ocasiona en el organismo de los astronautas la permanencia en estado de ingravidez y el uso de la gravedad artificial para eliminarlos.

Si bien el estado actual de la industria aeroespacial no permite la construcción de grandes instalaciones en el espacio, y por tanto el uso de sistemas de brazo largo, sí es posible crear pequeños sistemas de centrifugación con radios de 2-3 m y velocidades angulares de 21-17 rpm con el fin de generar aceleraciones cercanas a 1 g. No obstante, estos sistemas están limitados en cuanto a espacio, impidiendo que los astronautas puedan desplazarse por el interior del módulo y obligándoles a permanecer sentados con la cabeza inmovilizada[8] a causa de los efectos sensoriales disociadores causados por el movimiento de la misma. Aún así, y siendo difícil diseñar sistemas de gravedad artificial para naves espaciales de presupuesto limitado, un grupo de investigadores de la Nihon University demostraron las ventajas de los entornos temporales de gravedad artificial realizando sesiones de 60 minutos diarios a 2 g, las cuales fueron suficientes para prevenir los deterioros cardiovasculares[9].

Pero incluso utilizar estos sistemas de brazo corto tiene sus inconvenientes. El pasar de un estado de ingravidez a un estado de gravedad conlleva una serie de efectos desagradables (mareos, ilusiones sensoriales y dificultad de movimientos) que requieren de entrenamiento por parte del astronauta con el fin de minimizarlos. Esto hace que la velocidad de adaptación del organismo sea crucial para la utilización de semejantes sistemas en el Espacio.

Puede que alguien se pregunte por qué la actual Estación Espacial Internacional (ISS) no lleva un sistema generador de gravedad artificial. Cierto es que en un principio se planteó construirla en forma de anillo, pero diversos problemas en el diseño, como la elección de materiales adecuados capaces de soportar las fuerzas estructurales a las que está sometida la parte exterior del anillo, o las fuertes vibraciones que se producirían en la rotación, hicieron que se rechazara esta idea. Sin embargo, la ISS lleva un pequeño módulo generador de un entorno temporal de gravedad artificial[10], en donde se realizarán todo tipo de experimentos biomédicos (Figura 8).

Figura 8
Figura 8: Módulo de la ISS con capacidad de centrifugado

Por otro lado, distintas universidades y entidades diseñan actualmente un proyecto denominado Mars Gravity Biosatellite[11]. Una iniciativa privada que intentará estudiar las consecuencias de la gravedad marciana en los mamíferos, creando para ello un entorno AG e introduciendo en él ratones. Este proyecto ofrecerá información muy valiosa sobre cómo vivirán, nacerán y se desarrollarán los mamíferos en Marte, algo de vital importancia en la colonización y posible terraformación del planeta.

Mientras todo esto ocurre, científicos de varias universidades estudian desde hace algunos años la posibilidad de crear escudos gravitatorios mediante la generación de campos magnéticos con el uso de componentes superconductores. Este tipo de tecnología revolucionaría el estado actual de la industria aeroespacial, no sólo en el terreno de la generación de gravedad artificial, sino también en el terreno de la propulsión. Y aunque en la década de los noventa se realizaron algunos ensayos con un éxito relativo, la mayoría de los científicos opinan que esto no es más que una pérdida de tiempo y se oponen a que las agencias espaciales malgasten sus fondos y recursos en experimentos de este tipo.

Albert Einstein escribió que la gravedad podría considerarse una curvatura espacio-temporal que ocurre inevitablemente alrededor de los objetos de gran masa, como son los planetas y las estrellas. Por lo que convencionalmente se piensa que ningún artefacto o invención humana puede llegar a generar este tipo de fuerza.

Quizás, cuando la ciencia sepa cuál es la verdadera razón por la que los cuerpos se atraen entre sí, se puedan diseñar nuevos sistemas de gravedad artificial. Mientras tanto, la única opción parece ser la generación de gravedad artificial mediante sistemas rotatorios que produzcan una aceleración centrífuga.

    Referencias:
[1] Hastreiter D. & Young L. R. (1997). Effects of a gravity gradient on human cardiovascular responses. Journal of Gravitational Physiology, 4, 23-26.
[2] Graybiel A., Miller E. F. 2nd & Homick J. L. (1977). Experiment M131: Human vestibular function. In R. S. Johnston & L. F. Dietlein (Eds.), Biomedical Results from Skylab, 74-133, NASA SP-377. Washington, DC: Scientific and Technical Information Office, NASA.
[3] Young L. R., Oman C. M., Watt D. G. D., Money K. E. & Lichtenberg B. K. (1984). Spatial orientation in weightlessness and readaptation to earth's gravity. Science, 225(4658), 205-208.
[4] Zubrin R. M. with Wagner R. (1997). The Case for Mars: The Plan to Settle the Red Planet and Why We Must. Touchstone, Simon & Schuster, New York.
[5] Hall T. W. (1995). The Architecture of Artificial Gravity: Theory, Form, and Function in the High Frontier. Space Studies Institute.
[6] Massachusetts Institute of Technology - MVL, Man-Vehicle Laboratory - http://mvl.mit.edu/AG.
[7] National Space Biomedical Research Institute - Research to pave the way for human exploration of space - http://www.nsbri.org.
[8] Young L. R., Hecht H., Lyne L., Sienko K., Cheung C. & Kavelaars J. (in press). Artificial gravity: Head movements during short-radius centrifugation. Acta Astronautica.
[9] Iwasaki K., Sasaki K., Hirayanagi K. & Yajima K. (1998). Effects of repeated long duration +2 Gz load on man's cardiovascular function. Acta Astronautica, 42(1-8), 175-183.
[10] NASA's Smart Systems Research Lab - Centrifuge Disturbance Control - http://ssrl.arc.nasa.gov/centrifuge.html.
[11] The Mars Gravity Biosatellite Project - A Private Initiative to Study the Effects of Martian Gravity on Mammals - http://www.marsgravity.org.


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