Viajar hasta las estrellas es realmente difícil. Incluso la estrella más cercana se encuentra
fuera del alcance de nuestra tecnología actual. Pero eso no significa que no debamos intentarlo. Una forma de desarrollar las tecnologías asociadas con el viaje interestelar es crear primero misiones menos ambiciosas que se limiten a viajar hasta los límites del Sistema Solar o la Nube de Oort. Claro que eso de 'menos ambiciosas' es muy relativo, porque el desafío tecnológico de mandar una sonda a los límites del Sistema Solar sigue siendo de primer orden.
La sonda Interstellar Explorer de la NASA se aleja del Sol gracias a los motores iónicos de xenón, cuya luz azulada le da un aspecto fantasmagórico a la nave (NASA).
Antes de nada debemos establecer qué entendemos por 'límites del Sistema Solar'. Desgraciadamente, nuestro sistema planetario no tiene una frontera definida que podamos usar como referencia absoluta. El límite más popular es la
heliopausa, la región donde el viento solar -el flujo constante de partículas emitido por el Sol- es vencido por el viento interestelar. El problema es que la heliopausa no tiene una forma definida y constante en el tiempo, y de hecho tampoco es una frontera nítida, puesto que se puede dividir en varias partes alejadas entre sí, como son la zona de terminación, la heliopausa propiamente dicha y la onda de choque de la misma. Pero en cualquier caso la heliopausa no marca el fin del Sistema Solar. Podemos seguir encontrando cometas del Cinturón de Kuiper tras haberla dejado atrás. Y más allá tenemos la Nube de Oort, esa vasta e hipotética reserva de cometas que se encuentra a un año luz del Sol. No, la heliopausa no es el límite definitivo.
La heliosfera y la heliopausa (Wikipedia).
La Humanidad ha lanzado cuatro vehículos espaciales que ya han abandonado el Sistema Solar, más un quinto -la sonda New Horizons- que va en camino. Estos emisarios son las sondas Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 y Voyager 2. De todas ellas, la
Voyager 1 es la que se encuentra más lejos y la que posee la velocidad más elevada, de tal modo que ostentará el récord de objeto fabricado por el hombre situado a mayor distancia de la Tierra durante muchas décadas. La Voyager 1 viaja a 17,4 kilómetros por segundo y se encuentra actualmente a unas 122 unidades astronómicas del Sol, es decir, a más de 18000 millones de kilómetros (1 UA es igual a 150 millones de kilómetros). Una distancia increíble si la comparamos con la órbita de Neptuno, el planeta más alejado, que se encuentra a tan 'sólo' 4500 millones de kilómetros del Sol. La Voyager 1 se halla justo en estos momentos atravesando la frontera de la heliopausa, así que en cierto sentido podemos decir que se es la primera nave interestelar de la Humanidad. Y sin embargo, por muy impresionantes que nos parezcan los logros de la Voyager 1, solamente se ha adentrado un poco en el océano del espacio interestelar. Para que nos hagamos una idea de las distancias involucradas, la Nube de Oort se encuentra mil veces más lejos, a unas diez mil UA del Sol. Una nave como la Voyager 1 tardaría siglos en llegar allí. Está claro que si queremos ir más lejos debemos esforzarnos un poquito más.
Distancias interestelares en escala logarítmica (NASA).
La primera propuesta seria de sonda interestelar fue la
Interstellar Precursor Mission (IPM), creada en 1977 por un equipo de la NASA dirigido por Leonard Jaffe. IPM fue resultado de la borrachera de éxito del programa Voyager y tenía por objetivo alcanzar mil UA (150 000 millones de kilómetros o 0,016 años luz) en cincuenta años. IPM debía usar un sistema de propulsión eléctrico (NEP) con motores iónicos y un reactor nuclear para alimentarlos. El proyecto permaneció aletargado durante varios años, pero una década más tarde se metamorfoseó en la misión
TAU (Thousand Astronomical Units) del centro JPL de la NASA, que probablemente sea la propuesta de sonda interestelar más famosa hasta la fecha. Como su nombre indica, TAU fue concebida a finales de los años 80 como una misión no tripulada capaz de al canzar una distancia de mil UA en medio siglo. Parece mucho tiempo, pero no olvidemos que la Voyager 1 ha necesitado 35 años para superar las cien UA. TAU era una sonda enorme, con una masa total de 60 toneladas, aunque los instrumentos solo alcanzaría las 1,2 toneladas. Su longitud sería de 25 metros y habría sido diez veces más veloz que las Voyager y todo ello empleando tecnologías disponibles en los años 80. Habría estado equipada con un reactor nuclear de un megavatio de potencia que alimentaría un conjunto de 12 motores iónicos de xenón con un impulso específico de 12500 segundos capaces de alcanzar una velocidad de crucero de 106 km/s. Esta velocidad se alcanzaría tras dos años de funcionamiento ininterrumpido del sistema de propulsión. El reactor con los motores iónicos se separaría de la sonda tras cumplir con su misión.
Concepto original de la sonda TAU con el reactor nuclear y el sistema de propulsión iónico. Se aprecia la antena de alta ganancia y el orbitador de Plutón (NASA).
Durante los cuarenta años restantes, los instrumentos científicos funcionarían gracias a varios generadores de radioisótopos (RTGs). El objetivo científico principal de TAU sería estudiar la heliosfera y el medio interestelar, además de medir el paralaje de las estrellas cercanas gracias a un telescopio equipado con un espejo primario de un metro de diámetro situado en una plataforma móvil, lo que permitiría calcular las distancias a las estrellas de nuestro vecindario galáctico de forma muy precisa. Los objetivos secundarios serían buscar alguna evidencia de la existencia de la Nube de Oort o de algún cuerpo de masa planetaria situado a grandes distancias del Sol. TAU debía incluir además un orbitador de Plutón que se 'dejaría caer' de camino al abismo interestelar.
Versión posterior de TAU con el telescopio en el cuerpo central de la sonda. El RTG se aprecia en uno de los brazos (NASA).
La comunicación con la nave a estas enormes distancias se garantizaría mediante una antena de alta ganancia desplegable de 15 metros de diámetro, aunque también se estudió usar un láser de 10 W acoplado al telescopio de la sonda. Para poder recibir esta débil señal habría sido necesario construir un telescopio de diez metros de diámetro en órbita terrestre. No obstante, la construcción de este telescopio sólo sería imprescindible décadas después del lanzamiento, cuando la sonda se encontrase realemente lejos. Según la propuesta original del JPL, TAU debía haber sido lanzada en 2010. Obviamente, no ha sido así. La combinación de un altísimo presupuesto y la palabra 'nuclear' pusieron fin al proyecto, un proyecto que de todas formas nunca entusiasmó a la NASA. Al fin y al cabo, es difícil justificar una misión cuyos resultados científicos los van a disfrutar tus nietos.
Y hablando de ciencia, los objetivos científicos de TAU no parecían demasiado sólidos para una misión tan compleja, pero años después surgió un objetivo aún más interesante: el
punto focal del Sol. Aunque recibe este nombre, se trata más bien una esfera situada a partir de las 550 UA. Una nave localizada a esta distancia podría usar el Sol como lente gravitatoria para explorar las estrellas cercanas. Gracias a la relatividad general de Einstein, nuestra estrella se convertiría así en el telescopio espacial definitivo. En teoría, y con un telescopio lo suficientemente grande, seríamos capaces de ver hipotéticas ciudades en la superficie de un planeta alrededor de Alfa Centauri. Impresionante. Claro que el diablo está en los detalles, y en la realidad no sería tan sencillo. Las desviaciones de la forma esférica del Sol o la influencia de la atmósfera solar (cromosfera y corona) hacen que sea realmente complicado emplear el Sol como lente gravitatoria para observar en longitudes de onda visibles. Pero si usamos ondas de radio o microondas la cosa cambia. En este sentido, la sonda
FOCAL es la propuesta más conocida para una misión de este tipo, consistente en una nave que alcanzaría una distancia de 550-1100 UA. Su objetivo sería el estudio del sistema de Alfa Centauri en ondas de radio, para lo cual debería ser lanzada en la dirección
opuesta.
Eso sí, una misión al punto focal del Sol requiere una sonda grande y compleja. Pero con el tiempo han surgido otros objetivos científicos más modestos de cara a una misión de este tipo, como puede ser la medición directa de helio 3, deuterio o litio 7 en el medio interestelar con el fin de poner límites a las modelos de nucleosíntesis tras el Big Bang, o el seguimiento preciso de la trayectoria de la sonda para detectar ondas gravitatorias y medir la energía oscura.
Teniendo estos objetivos en mente, en 1999 nació la propuesta
Interstellar Probe de la NASA, una misión que planeaba lanzar una vela solar hasta las 400 UA (sesenta mil millones de kilómetros). La vela tendría forma hexagonal y un tamaño enorme, de 400 metros de diámetro. Se acercaría primero a 38 millones de kilómetros del Sol para ganar velocidad gracias a la presión de radiación de la luz solar antes de partir hacia el exterior del Sistema Solar. Interstellar Probe alcanzaría una velocidad de 70 km/s y usaría un RTG para alimentar los 25 kg de instrumentos. Las comunicaciones serían mediante radio, en banda Ka, y podría haber sido lanzada con un pequeño cohete Delta II. El mayor desafío sería la construcción de la vela, que debería ser extremadamente tenue (un metro cuadrado no podría tener más de un gramo de masa). La vela se separaría al atravesar la órbita de Júpiter, ya que para entonces la aceleración generada por la luz solar sería despreciable.
Vela solar de la Interstellar Probe de 1999 (NASA).
Trayectoria de Interstellar Probe (NASA).
Posteriormente surgió la sonda
RISE (Realistic InterStellar Explorer), también conocida como
Interstellar Explorer a secas, desarrollada entre 2000 y 2002 en el Instituto de Estudios Avanzados (NIAC) de la NASA. Con una estructura final basada en el de la sonda Ulysses, RISE viajaría primero hasta Júpiter para luego acercarse a menos de tres millones de kilómetros del Sol con el fin de poder llevar a cabo una maniobra propulsiva con asistencia gravitatoria de nuestra estrella que la lanzaría hasta los confines del Sistema Solar, en dirección hacia la estrella Épsilon Eridani. RISE alcanzaría las 100 UA en unos 14 años viajando a 53 km/s, pero lo mejor es que podría ser lanzada por un cohete Atlas V convencional. Emplearía un sistema de propulsión iónica para aumentar aún más su velocidad y RTGs para alimentar los instrumentos de la sonda. Como curiosidad, se contempló usar RTGs de Americio 241 en vez de Plutonio 238. Las comunicaciones serían ópticas, pero no usaría una antena parabólica convencional, sino una lente de Fresnel desplegable. El segmento de tierra requeriría un telescopio de cuatro metros para garantizar las comunicaciones. En principio, el objetivo sería, al igual que TAU, alcanzar las mil UA en cincuenta años, pero la misión científica podría comenzar a partir de las 200-300 UA.
Diseño inicial del Interstellar Explorer de 2000 (NASA).
Interstellar Explorer de la NASA con la antena de tipo lente de Fresnel (NASA).
El estudio RISE dejó en el aire la posibilidad de desarrollar una sonda interestelar de segunda generación capaz de alcanzar la increíble velocidad de 3000 millones de kilómetros al año (20 UA/año) mediante propulsión térmica nuclear con un reactor de cinco megavatios y 16 toneladas de hidrógeno líquido. Esta sonda de segunda generación podría llegar a una estrella cercana en un par de milenios y es por eso que el estudio de la NASA la consideró un paso intermedio entre una misión interestelar precursora y una sonda capaz de viajar a las estrellas más próximas.
En 2003 la NASA propuso el que hasta el momento es el último estudio serio de misión interestelar por parte de la agencia, la sonda
Innovative Interstellar Explorer (IIE). En realidad, IIE es una continuación directa de RISE, aunque más modesta, de ahí que compartan muchas soluciones tecnológicas. Con una masa de una tonelada aproximadamente, IIE sería muy parecido a RISE, aunque no se consideró obligatorio introducir un sobrevuelo del Sol para aumentar su velocidad. También se decidió prescindir del sistema de comunicaciones óptico y se optó por uno más tradicional mediante radio. IIE tendría una carga útil de 35 kg de instrumentos y también emplearía un sistema de propulsión iónico. Debería haber viajado hasta las 400-1000 UA, logrando una velocidad de 1430 millones de kilómetros al año (9,5 UA/año) como mínimo. Si se lanzase en 2014, IIE alcanzaría su meta -las 200 UA de distancia- en 2044. No está nada mal.
La sonda interestelar IIE sobrevuela Júpiter para ganar velocidad antes de abandonar el Sistema Solar (NASA).
La sonda IIE (NASA).
Pero no sólo la NASA se ha preocupado por las misiones interestelares. En 2009 vio la luz el proyecto
Interstellar Heliospheric Probe (IHP/HEX) de la ESA para el estudio de la heliopausa a partir de las cien UA del Sol. IHP tendría una masa de 370 kg y usaría una vela solar para acelerar hasta la velocidad de escape de forma similar a la propuesta Interstellar Probe de la NASA de 1999. Ni que decir tiene, la ESA no ha aprobado esta propuesta ni se espera que lo haga en un futuro.
Posible diseño de la sonda IHP europea (ESA).
Lo realmente interesante es que cualquiera de estas sondas podría ser construida y lanzada con la tecnología actual. A la espera de que nuestra especie logre concebir nuevos sistemas de propulsión que pongan a nuestro alcance las estrellas, estas misiones precursoras nos permitirían desarrollar muchas de las tecnologías asociadas con el 'verdadero' viaje interestelar. Las misiones a otras estrellas se convertirán durante los próximos siglos en el equivalente a la construcción de catedrales en la Edad Media. Los científicos encargados de concebir estas naves no vivirán para ver sus resultados, pero sabrán que están formando parte de una de las mayores aventuras de la Humanidad.
Referencias:
- Preliminary scientific rationale for a voyage to a thousand astronomical units, M. I. Etchegaray (NASA).
- A mission to a thousand Astronomical Units, K. T. Nock, NASA.
- NASA's Interstellar Probe Mission, P. C. Liewer et al. (NASA).
- An Interstellar Probe Mission to the Boundaries of the Heliosphere and Nearby Interstellar Space, R. A. Mewaldt (NASA).
- Interstellar Explorer, G. B. Andrews et al. (NASA).
- Innovative Interstellar Explorer (NASA).
- Innovative Interstellar Explorer, M. Gruntman (NASA).
- FOCAL mission to 550 thru 1000 AU: Status review 2009, Claudio Maccone (Acta Astronautica).
- The Sun as a Gravitational Lens : AA Target for Space Missions Target for Space Missions Reaching 550 AU to 1000 AU, Claudio Maccone.
- Interstellar heliospheric probe/heliospheric boundary explorer mission—a mission to the outermost boundaries of the solar system, Robert F. Wimmer-Schweingruber et al.
