Año 2020, se lanza la misión Perseverance a Marte que representa el espíritu de la ciencia de superar cualquier desafío; la nave espacial OSIRIS-REX logra capturar rocas de un asteroide muy antiguo que servirá a los científicos para responder preguntas fundamentales de la historia del universo; y no se diga del lanzamiento de la histórica misión Demo-2 que marcó el inicio de una nueva era en la exploración espacial. Sin duda alguna el 2020 nos quiso decir algo: la ciencia ficción comienza a hacerse realidad.

La exploración espacial es un tema que a muchos de nosotros nos apasiona, sin embargo, es un concepto que cuesta mucho trabajo de desarrollar debido a que involucra el gasto de muchísimos recursos, principalmente, dinero. Actualmente enviar una carga de un kilogramo al espacio es carísimo (el lanzamiento del Falcon 9 tuvo un costo de un poco más de 100,000 pesos por kilogramo) y aunque los vuelos comerciales ya son una realidad, para hacer más viable a la exploración espacial existen algunas otras opciones que han sido consideradas no solo por los autores de historias de ciencia ficción sino ¡también por los mismos científicos!

Una de estas alternativas de infraestructura que puede ayudarnos a reducir increíblemente los costos de explorar el espacio es el llamado: elevador espacial, el cual es, básicamente, un eje enorme que está conectado a la Tierra y nos ayuda a subir al espacio eliminando nuestra dependencia del combustible utilizado en los cohetes. Una infraestructura de este tipo simplemente sería la construcción más cara construida en la historia del hombre, pero reduciría los costos de enviar 1 kilogramo de carga al espacio a, por ejemplo, ¡tan sólo 4,000 pesos!

En este artículo vamos a conocer a grandes rasgos cómo funciona un elevador espacial para responder una pregunta muy importante ¿esta infraestructura es realidad o ciencia ficción? Primero que nada, conozcamos los principales componentes de este sistema, para ello apoyémonos de la Figura 1. Hasta abajo tenemos el ancla, que es el elemento que fija el cable a la Tierra y que también funcionaría como un puerto para subir y bajar carga o… ¡personas! Después tendríamos el cable o elemento de conexión que actuaría como una cuerda sujetada a otro peso o contrapeso que estará en el espacio. En esta parte de la estructura puede haber una estación espacial que sirva como base para enviar misiones mmm no sé… ¡a otros planetas! Ya, por último, tenemos el escalador, que es como un elevador “convencional” que sube y baja la carga, bueno convencional entre comillas porque recordemos que queremos subir desde personas ¡hasta naves espaciales!

Para conocer los cómo´s y por qué´s del elevador espacial vayamos por partes, primero ¿por qué se necesita el contrapeso? ¿por qué se necesita otro peso que soporte el cable en el espacio? ¿por qué no solo construimos algo como una escalera muy, muy alta? Bueno pues para construir edificios muy altos, los humanos desde hace mucho tiempo construyen una base demasiado grande y así el peso del edificio que recae sobre esta base se extiende por toda esta área haciendo posible que los materiales de los que esta base está formada puedan aguantar todo el peso con sus propiedades. Así mismo, los pisos de arriba se tratan de hacer más pequeños o más ligeros para disminuir carga y ganar altura (pensemos en las pirámides de Egipto o el Burj Khalifa que se encuentran en la Figura 2). Sin embargo, con los materiales que tenemos, necesitaríamos un área enorme en la base para poder construir un edificio tan alto que llegue al espacio, un área simplemente irrazonable. Para compensar esto se pensó en este contrapeso en donde la fuerza centrífuga contrabalancea el peso de la estructura tirando hacia arriba y así, el área que se necesita en nuestra estructura es menor.

Ahora, ¿te parece si analizamos la estructura un poquito como lo haría un científico? ¡Va! Primero lo primero ¿en dónde anclamos nuestro elevador espacial? Bueno pues como ya te conté este sistema funciona a base de la fuerza centrífuga actuando en el contrapeso, entonces sería muy obvio que lo posicionáramos en dónde podemos aprovechar esta fuerza en mayor medida y esto sucede en el ecuador ¿no me crees? Cuando lavamos nuestra ropa y llegamos a la etapa de centrífuga en nuestra lavadora común que es cilíndrica, vemos que nuestras prendas se distribuyen por toda la pared del cilindro ¿Qué pasaría si tuviéramos una lavadora esférica? Es fácil imaginar que en la etapa de centrífuga la ropa se extendería por el “ecuador” de la esfera, esto es debido a que en esa línea los puntos de nuestra esfera al girar tienen que recorrer más distancia (un círculo más grande) en el mismo tiempo que los otros puntos, por ejemplo, los puntos que están cerca del “polo” de la esfera que casi no recorren nada (recorren un círculo más pequeño) ¿qué va más rápido un automóvil A que recorre 10 kilómetros en 5 minutos o uno B que recorre 1 kilómetro en esos mismos 5 minutos? Por supuesto el automóvil A va más rápido, es decir, tiene mayor velocidad, justo como los puntos en el ecuador de nuestra esfera. Como veremos más adelante la fuerza centrífuga depende de la velocidad de los puntos, en dónde hay mayor velocidad hay mayor fuerza centrífuga y esto es, como ya se explicó, en el ecuador, pero de la Tierra.

Ahora sí, con esto en mente, comencemos… Para facilitarnos la vida vamos a posicionarnos en un marco de referencia rotatorio, es decir, que esté girando y lo haga a la misma velocidad que la Tierra; gracias a esto ya podemos considerar una estructura estática (que no se mueve) en un punto dentro de este marco y arribita de la Tierra, para apoyarte mira la Figura 3. En una estructura estática se tiene una aceleración igual a cero, y de acuerdo con la segunda ley de Newton (F=ma) todas las fuerzas que actúan en esta, si son sumadas nos darán cero como resultado, es decir F=0. ¿Qué fuerzas actúan en nuestra estructura espacial? Primero está la fuerza de gravedad (G) que jala nuestro objeto hacia la Tierra, si te fijas en su ecuación (Figura 5), se hace más y más pequeña conforme nos alejamos de la Tierra. También tenemos una fuerza centrífuga (C) que jala al objeto hacia afuera, y la cual aumenta mientras nos alejamos de la Tierra (es decir, mientras r se hace más grande). Para una determinada velocidad del objeto hay una distancia desde la Tierra en donde estas dos fuerzas son iguales y se cancelan la una a la otra, a este punto se le conoce como el Cinturón de Clark y es aquí donde debería estar el objeto para que haya un equilibrio y no se mueva. El cinturón de Clark para un satélite geoestacionario (que gira al mismo tiempo que la Tierra y el cual es nuestro caso) se encuentra a 42,000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, debajo de este cinturón la fuerza de gravedad es mayor mientras que arriba de él la fuerza centrífuga es mayor.

Por último, agreguemos una nueva fuerza a nuestro objeto, la fuerza de tensión del cable (T) para convertirlo en elevador espacial, de tal forma que ahora tenemos el sistema de la Figura 6. Como ves, ahora necesitaríamos aumentar la fuerza centrífuga de algún modo para que nuestra ecuación siga cumpliéndose y podemos hacer esto ya sea aumentando la distancia r o la masa. Ambas opciones son muy caras, tan caras que incluso ¡muchos han propuesto utilizar un asteroide capturado como contrapeso! Además, si se opta por la opción 1 (aumentar r) se necesitaría un cable aún más largo, ¡todavía más largo que esos mínimos 42000 kilómetros! Entonces, ahora que sabes las fuerzas que actúan en un elevador espacial y en dónde tendría que posicionarse ¿te parece si hablamos un poco sobre los retos que esta estructura impone?

El reto más difícil para construir esta infraestructura espacial es el cable, ya que este tiene que ser ligero, pero más resistente que cualquier material que podamos producir actualmente, además este material tiene que resistir los efectos de corrosión provocados por la atmósfera, radiación, micro meteoritos y golpes por la basura espacial existente. Para esta tarea hay materiales prometedores como el grafeno y los nanohilos de diamante, pero aún se sigue investigando si estos serían lo suficientemente fuertes. Y es que para entender lo fuerte que tienen que ser estos materiales primero tenemos que saber qué es el esfuerzo de tensión último, el cual es definido como la máxima tensión que un material o cable puede aguantar y es calculado dividiendo una fuerza (que esté soportando el cable) entre el área transversal del mismo cable. Un cable más grueso puede aguantar más fuerza porque su área transversal es más grande (ver Figura 7).

Veamos, primero, ignorando el peso del elevador la única fuerza soportada por el cable sería la gravedad debido al peso mismo del cable, y la tensión del cable en cualquier parte es igual al peso de todo lo que está cargando abajo. Entonces entre más nos recorramos hacia arriba cada vez la cuerda estará cargando más y más peso (entre más largo el cable) por lo que para mantenernos debajo de su esfuerzo de tensión último tendremos que aumentar cada vez más el área de la sección transversal. Expertos han resuelto las matemáticas de esto y calculan que con un cable hecho de acero, si dividimos su diámetro necesario en el cinturón de Clark (en donde la fuerza de tensión es máxima) entre el diámetro del cable hasta abajo, daría un resultado de 1.6×10^33 ¿Te imaginas? Bueno pues ¡es enorme! ¡Insostenible! Con un material conocido como kevlar se tienen resultados mejores, si tenemos un diámetro en la base de 1 centímetro, en el cinturón de Clark tendría que ser sólo de 1000 kilómetros (jajaja solamente) es decir aun con este material no es posible. También se ha pensado en nanomateriales pero estos aún necesitan ser estudiados muchísimo; estimaciones (no muy exactas porque están muy lejos de la tecnología actual) indican que con este tipo de materiales se podría tener un cable de sólo dos centímetros en el cinturón de Clark, un avance increíble.

El segundo reto más importante es la energía que se debe instalar para poder subir la carga por este cable. La energía requerida para esta tarea es muchísima (estamos hablando de más o menos 54 megajoules por kilogramo) Es decir, se necesitaría la energía producida por un reactor nuclear durante 15 horas para subir 1000 toneladas allá arriba. La opción más factible hasta ahora es usando beaming power o potencia de radio como microondas, incluso algunos hablan de subir la carga con un láser súper potente. Solo imagínate que se necesita vencer la fuerza de gravedad y además resistir las duras condiciones atmosféricas. Además ¿En dónde conseguiríamos material para un cable de 42000 kilómetros de largo? ¿La minería en asteroides podría ayudarnos a conseguir este material? ¿Crearíamos el cable aquí en la Tierra o en el espacio? ¿Tú que te imaginas?

Por otra parte, construir algo de este estilo viene de la mano con algunos riesgos bastante importantes. Por ejemplo, el cable podría romperse y si este se rompe cerca del ancla la fuerza del contrapeso se llevaría nuestra construcción a la profundidad del espacio; por el contrario, si el cable se rompe cerca del contrapeso el cable se quedaría anclado y por lo tanto mientras la Tierra gira, este la rodearía y se quedaría ahí orbitando, lo cual representaría una barrera para el futuro de los vuelos espaciales. Para evitar estos y otros riesgos, muchos han propuesto iniciar colocando un elevador espacial en la Luna, ahí la gravedad es mucho menor y el cable podría hacerse de un material ya existente como el kevlar, que se mencionó anteriormente.

Entonces la respuesta final es: por ahora construir un elevador espacial es sólo ciencia ficción, pero esto no significa que no sea una realidad en un futuro próximo o lejano. Puede que construir un elevador espacial parezca imposible ahora, puede que incluso nunca se haga, pero mientras tanto debemos de seguir aprendiendo muchas cosas aquí en la Tierra. Ya vimos que nos falta investigar muchísimas técnicas constructivas y materiales para poder lograrlo y eso que en este artículo sólo hablamos del elevador espacial a grandes rasgos, ¡imagínate irnos a los detalles! Cierto es que nunca hemos construido algo así y que es un reto tecnológico muy grande, pero si algún día lo llegamos a hacer posible será un gran paso de la humanidad. Recuerda que: “Nunca hay sueños demasiado locos en cuanto a la exploración espacial”.

Escrito por: Ileana Monsalvo
Foto de portada: Ilustración artística de un elevador espacial. (Crédito: Glenn Clovis)

Referencias

• Practical Engineering. Design Your Own Space Elevator.
https://www.youtube.com/watch?v=iAXGUQ_ewcg

• Kurzgesagt. Space Elevator – Science Fiction or the Future of Manking.
https://www.youtube.com/watch?v=qPQQwqGWktE

• Real Engineering. Are Space Elevators Possible?
https://www.youtube.com/watch?v=Xa_xteu_Mts

• D.V. Smitherman, Jr. Space Elevators, An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium. Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama
http://images.spaceref.com/docs/spaceelevator/elevator.pdf

• Wikipedia. Falcon 9.
https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9