El ascensor espacial: autopista hacia el cielo

«Edifiquemos una ciudad y una torre cuya cúspide llegue hasta el cielo. Hagámonos así famosos y no estemos más dispersos sobre la faz de la Tierra»                                                                                           Génesis 11:1-9

Subir a una torre para alcanzar el cielo. Un sueño tan sencillo como fascinante que ha perseguido a la humanidad desde hace siglos. Una idea que desafía a la razón, una proeza de ingeniería más propia de dioses que de simples mortales. No es de extrañar que la construcción de la Torre de Babel aparezca en la Biblia como un ejemplo de soberbia imperdonable. Y sin embargo, lo realmente alucinante es que, en teoría, nada nos impide construir una torre semejante. Hablamos, por supuesto, del concepto para acceder al espacio más revolucionario que se haya inventado nunca. Con ustedes, el ascensor espacial.

¿Se puede construir un ascensor espacial? (NASA)

¿Pero qué significa alcanzar el espacio? Desde el punto de vista práctico, no nos vale alcanzar una altura determinada únicamente (hoy en día la frontera del espacio se sitúa arbitrariamente en los cien kilómetros de altura), sino que además debemos entrar en órbita alrededor de la Tierra. Y es que no tiene mucho sentido llegar al espacio para luego caer a la superficie como una simple piedra. Con esto en mente, ¿podemos construir nuestra torre de Babel particular para acceder a los cielos?

Sí, podemos, al menos sobre el papel. Y el primero que introdujo este concepto no podía ser otro que el pionero de la cosmonáutica Konstantín Tsiolkovsky. En 1895, mientras meditaba sobre la dificultad del acceso al espacio en su Kaluga natal e impresionado por la reciente construcción de la Torre Eiffel de París, Tsiolkovsky se dio cuenta de que el extremo de una torre situada en el ecuador terrestre se movería a una cierta velocidad, una velocidad que sería mayor cuanto más alta fuese la torre. A una altura determinada, la velocidad del extremo de la torre sería equivalente a la velocidad orbital y podríamos convertirnos en un satélite artificial simplemente saliendo por el balcón. ¿Cuál sería esa altura mágica? Mejor dejamos que nos lo explique el propio Tsiolkovsky:

Al final, en la Tierra, el peso desaparece en el extremo de una torre con una altura de 5 veces y media el radio de la Tierra (34 mil verstas desde la superficie terrestre; la Luna se encuentra 11 veces más lejos). 

Въ концѣ концовъ, на Землѣ, тяжесть уничтожается на вершинѣ башни высотою въ 5½ радіусовъ Земли (34 тысячи верстъ отъ земной поверхности; Луна разъ въ 11 дальше).

Especulaciones sobre la Tierra y el cielo (Грёзы о Земле и небе), Konstantín Tsiolkovsky (1895). 

(Por si hay algún rusoparlante en la sala me permito aclarar que sí, el texto original está en ruso, aunque escrito con la ortografía de finales del siglo XIX.)

Es decir, la torre de Tsiolkovsky tendría que tener una altura de 34 mil verstas, o lo que es lo mismo, 35786 kilómetros para cumplir su función. Todavía quedaban muchos años para que esa altura fuese conocida como órbita geoestacionaria (GEO) u Órbita de Clarke, donde actualmente se encuentran la mayor parte de satélites de comunicaciones y meteorológicos. La leyenda dice que el mítico Nikola Tesla también concibió una torre semejante, aunque no nos han llegado los detalles de su creación. Una torre de este tipo permitiría acceder al espacio sin necesidad de cohetes, pero el concepto pronto cayó en el olvido. Los motivos eran más que obvios: no existía ningún material conocido capaz de aguantar el peso de una torre de casi 40.000 kilómetros de altura. Como concepto teórico, la torre de Tsiolkovsky estaba muy bien, pero evidentemente era una simple fantasía.

La idea durmió el sueño de los justos hasta que en 1957 un joven ingeniero de Leningrado decidió darle una segunda oportunidad. En realidad, si esta historia fuese una novela él sería su protagonista principal. Hablamos de Yuri Nikolaévich Artsutánov, el verdadero padre del ascensor espacial. Artsutánov imaginó un ascensor espacial que se prolongaría más allá de la órbita geoestacionaria con una masa situada en el extremo. Esta masa se movería a una velocidad superior a la velocidad orbital para esa altura y serviría de contrapeso del ascensor, tirando de él con respecto a la superficie. El centro de masas estaría en GEO y el efecto neto es que la tensión equilibraría el peso, reduciendo drásticamente los requisitos para construir esta obra faraónica. Ya no sería necesario construir la torre hacia arriba, sino que podría ser desplegada hacia abajo desde un satélite situado en la órbita geoestacionaria. De repente, el concepto de ascensor espacial se convertía en algo posible.

Concepto general de ascensor espacial de Artsutánov (NASA).

Yuri Artsutánov (izquierda) y Arthur C. Clarke en 1982. 

Artsutánov publicó su idea el 31 de julio de 1960 en un artículo corto titulado Al espacio en una locomotora eléctrica (V kosmos na elektroboze) que apareció en el suplemento dominical del Konsomólskaia Pravda. Como indica el título, Artsutánov introdujo un segundo concepto revolucionario: para acceder al espacio se usaría un vehículo de propulsión eléctrica que subiría con carga y tripulación desde la superficie hasta GEO en unos pocos días. Hoy en día existe una unidad no oficial de tensión en función de la densidad denominada Yuri en su honor. Lamentablemente, el artículo de Artsutánov pasó desapercibido en medio de la incipiente carrera espacial donde los cohetes serían los protagonistas. Y lo mismo ocurrió con otro artículo de 1966 publicado en Science por un grupo de oceanógrafos norteamericanos dirigidos por John Isaacs donde se introducía el concepto de un cable que podría ser desplegado desde GEO.

El artículo original de Artsutánov.

El ascensor espacial imaginado por el cosmonauta Leónov y el artista Sokolov en 1967.

Vídeo sobre Artsutánov y su ascensor espacial (en ruso):

Estaba claro que el mundo no estaba preparado para el ascensor espacial y habría que esperar hasta 1975 para que el concepto alcanzase su madurez. Ese año, Jerome Pearson -un investigador del laboratorio de investigación de la fuerza aérea estadounidense- descubrió de forma independiente el concepto de ascensor espacial, aparentemente sin haber tenido noticias de Artsutánov, y publicó un artículo al respecto en la revista Acta Astronautica. En el diseño original de Artsutánov, el cable o torre empleado para el ascensor espacial tenía una sección constante, de tal forma que la tensión por unidad de área sería máxima cerca del centro de gravedad situado en GEO y mínima en los extremos. Para solucionar este problema, Pearson propuso una sección variable para el ascensor, que sería más ancho cerca de GEO. Como contrapeso se estudió anclar un pequeño asteroide a la estructura.

Jerome Pearson (fuente).

Elementos de un ascensor espacial "clásico" (NASA).

El artículo de Pearson tuvo una audiencia mucho más amplia y pronto llegó a las manos del famoso escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke. Clarke -sí, el mismo de la Órbita de Clarke y autor de 2001, Odisea en el espacio- quedó prendado por la idea. Tanto, que en 1979 publicaría la novela Las fuentes del paraíso, protagonizada por un ascensor espacial similar al propuesto por Artsutánov y Pearson. La novela de Clarke popularizó el ascensor espacial hasta extremos insospechados y por eso mucha gente considera 1979 como el año del nacimiento -o al menos, la mayoría de edad- de esta loca idea. Curiosamente, ese mismo año también saldría a la venta La telaraña entre los mundos de Charles Sheffield, otra novela de ciencia ficción de temática similar que no tuvo tanta repercusión. Lo más curioso de la propuesta de Sheffield era el sistema para instalar el ascensor espacial: nada de desplegar cables desde la órbita geoestacionaria o sutilezas por el estilo. Sheffield abogaba por construir el ascensor en el espacio y lanzarlo luego hacia la Tierra... ¡para clavarlo como si fuera una jabalina!

Edición española de "Las fuentes del paraíso", de Clarke.

En cualquier caso, si los conceptos de Artsutánov y Pearson eran tan atractivos, ¿por qué nadie se lanzó a construir un ascensor espacial? Pues porque aunque la introducción de un contrapeso y una sección variable habían convertido el concepto en algo teóricamente viable, en la práctica seguía siendo imposible. ¿Por qué? Pues por el mismo motivo que la torre de Tsiolkovsky era una fantasía: no existe en el mundo un material lo suficientemente resistente como para permitir su construcción. Bueno, en realidad en este punto conviene matizar algo esta afirmación, porque no es rigurosamente cierta. Y es que en principio se puede construir un ascensor espacial usando cualquier material siempre y cuando aumentemos el grosor de la torre para compensar las tensiones y cargas compresivas. El problema, obviamente, es que la cantidad de material superaría en la mayor parte de los casos cualquier presupuesto imaginable. Además, ¿recuerdas que dijimos que el ascensor debe ser más ancho cerca de GEO? Esto significa que si usamos materiales comunes como el acero, la zona del centro de gravedad del cable en GEO debería ser millones de veces más grueso que sus extremos, algo claramente ridículo. De todas formas, este requisito explica que los primeros diseños de ascensores espaciales incluyesen enormes estructuras rígidas de billones de toneladas (sí, con 'b') más parecidas a una Torre de Babel gigante que a un simple ascensor.

Densidades y tensiones máximas de diversos materiales (NASA).

Concepto soviético de gran ascensor espacial (Tekhnika Molodiozhi).

Para poner las cosas en su sitio, mejor veamos algunos números. Lo que necesitamos es un material con una tensión de rotura enorme y con una densidad muy baja. Para evitar la construcción de una estructura faraónica, lo ideal sería que tuviese una densidad similar a la del grafito y una tensión de rotura del orden de 50 a 100 gigapascales (GPa). ¿Es mucho? Pues juzga tú mismo: los aceros más resistentes no superan tensiones de 5 GPa y tienen una densidad ocho veces mayor. Vamos, que estamos hablando de materiales prácticamente mágicos. En los años 70 y 80, las fibras de cuarzo o de diamante parecían ser los mejores candidatos, capaces de soportar tensiones del orden de 20 GPa. De hecho, las fibras de diamante fueron el material elegido por Clarke para su novela. En concreto, usó un "cristal de diamante continuo pseudounidimensional" (huelga decir que no existe tal material). Pero los desafíos eran tan enormes que, con la salvedad de los escritores de ciencia ficción, todo el mundo tiró la toalla. Ni fibras de diamante, ni kevlar, ni tela de araña. El ascensor espacial era un callejón sin salida... y entonces fue cuando llegaron los nanotubos de carbono.

La noticia fue una verdadera bomba. Corría el año 1991 cuando se descubrió esta sustancia que parecía salida de una novela del propio Clarke. Los nanotubos de carbono (CNT) eran el verdadero Santo Grial de los constructores de ascensores espaciales. En apariencia son poca cosa: básicamente láminas de humilde grafito enrolladas sobre si mismas. Sin embargo... ¡son capaces de aguantar tensiones del orden de 100 GPa! Y, por si fuera poco, encima son tremendamente baratos. El descubrimiento de los nanotubos de carbono marcó un antes y un después en la historia del ascensor espacial. De repente, su construcción parecía al alcance de la mano. Ya no sería necesario crear enormes torres del tamaño de pequeños mundos. Bastaría con desplegar unos pocos cables, o mejor, unas cintas de nanotubos y, voilà, ascensor espacial al canto.

Estructura de un nanotubo de carbono (liftport.com).

Los CNT hacen del ascensor un concepto viable (NASA).

No tan rápido. Antes de construir el ascensor, tenemos que solventar un par de, ejem, problemillas. El primero es que aún no sabemos la tensión máxima que soportará una cinta de nanotubos comercial, ni tampoco su coste. Las estimaciones varían entre 30 GPa y 150 GPa, un rango bastante amplio que puede significar la diferencia entre la fantasía y la realidad. El siguiente obstáculo es la cantidad de material que necesitamos. Aunque esté hecho de nanotubos, un ascensor espacial es una obra colosal que se extiende hasta los 36.000 kilómetros de la Tierra y que pesaría unas 800 toneladas como mínimo (si usamos un contrapeso de 600 toneladas). Otras estimaciones más conservadoras arrojan un mínimo de diez mil toneladas.

Quizás no parezca mucho, pero recuerda que los cohetes más potentes construidos por el hombre sólo pueden lanzar unas diez toneladas hasta la órbita geoestacionaria. Y necesitamos cohetes para llevar el cable hasta GEO antes de desenrollarlo. Tampoco sabemos la longitud máxima que puede alcanzar un cable de nanotubos comercial. Lógicamente, no es realista pensar que podemos llevar enrollados 36.000 kilómetros de cable en una sola bobina, a no ser que los tubos puedan crecer a partir de una factoría portátil. Esto último es especialmente importante, porque los diseños actuales de ascensor prescinden de la exótica idea de usar un asteroide como contrapeso (probablemente porque una civilización capaz de capturar asteroides a su antojo no necesite construir un ascensor espacial) y se favorece usar el propio cable para esta tarea, extendiéndolo mucho más allá de GEO. Y no por poco: los conceptos modernos prevén un ascensor con una longitud total de 144.000 kilómetros (!). A todas estas, no olvidemos que desplegar cables en el espacio dista de ser algo trivial (el récord actual lo ostenta el satélite YES2, que desplegó en órbita baja un fino cable de 32 kilómetros de longitud).

Despliegue del satélite TSS-1R durante la STS-75. El cable se desplegó 21 km (NASA).

Luego están los problemas de las vibraciones. Un ascensor espacial es una estructura viva que oscila y tiembla continuamente por culpa de los terremotos, las fuerzas de marea y los vientos de la atmósfera baja. Además, cuando una cabina asciende por el cable, la fuerza de Coriolis provoca que ésta y el cable se desvíen al oeste a medida que sube. Calcular y controlar estas oscilaciones resulta vital si queremos evitar que el cable se parta. Las buenas noticias son que podemos usar las vibraciones para esquivar los satélites situados en órbita baja y que se mueven a 8 km/s con respecto al cable. Y es que la chatarra espacial es probablemente la mayor amenaza para esta criatura, de ahí que se apueste por un diseño de fibras de nanotubos en forma de cinta plana en vez de uno tubular para minimizar así la sección del ascensor. Aún así, los pesimistas creen que la esperanza de vida de un ascensor espacial sería de unos pocos años por culpa de los impactos de trozos de satélites.

Las oscilaciones naturales del cable pueden usarse para evitar los satélites (NASA).

Tecnologías relacionadas con el ascensor espacial (NASA).

Hasta ahora no hemos hablado de cómo transportar una carga hasta la órbita geoestacionaria. Usar una 'locomotora' como propuso Artsutánov no parece una buena idea. Y es que a pesar de su nombre, un ascensor espacial no es realmente un 'ascensor', en el sentido de que los cables no se mueven. Es la cabina la que debe subir. ¿Cómo? Pues difícil lo tenemos. La solución más popular pasa por emplear láseres ópticos, de microondas o de electrones para proveer de energía a la cabina desde tierra y que ésta se pueda desplazar mediante ruedas o levitación magnética. La cabina se movería a unos 200 km/h y tardaría una semana en llegar hasta la órbita. Obviamente, podemos decir que, como poco, esta tecnología está aún un tanto verde.

Concepto de cabina propulsada mediante láseres (liftport.com).

Sea como sea, el anclaje del ascensor a la superficie resulta tan complejo que los últimos conceptos pasan por emplear una plataforma flotante móvil en el ecuador, parecida a la usada para el sistema de lanzamiento Sea Launch. Esta plataforma estaría situada en el Océano Pacífico cerca del archipiélago de las Galápagos, un lugar elegido por el clima favorable y la escasez de tormentas eléctricas. Sí, los rayos son otro de los enemigos del ascensor, junto con las elevadas corrientes inducidas al atravesar el campo magnético terrestre.

Plataforma flotante para anclar el cable. Se aprecia el láser de propulsión (liftport.com).

Problemas del ascensor espacial (NASA).

Pero si anclar el ascensor a la superficie o llevarlo hasta GEO es tan complicado, ¿por qué no pasamos de hacerlo? Eso es precisamente lo que proponen los diseños de ganchos celestes (skyhooks), considerados un paso intermedio antes de llegar a los ascensores espaciales. Los ascensores orbitales serían largos cables de nanotubos que permitirían abaratar el acceso a GEO o a órbitas altas. Aunque no estaríamos ante un ascensor espacial propiamente dicho, quizás sean un desvío necesario para madurar todas las tecnologías relacionadas con los mismos.

Concepto de skyhook (NASA).

Ascensores orbitales (NASA).

Vayamos un paso más allá. Más allá de la Tierra, quiero decir. El caso es que resultaría mucho más sencillo construir un ascensor en la Luna o en Marte. Ya sabes, por el tema de los pozos gravitatorios y todo eso. En el caso lunar, el ascensor no comunicaría la superficie con una órbita estacionaria (la luna rota muy lentamente), sino con los puntos de Lagrange L1 y L2 del sistema Tierra-Luna, situados a unos 60.000 kilómetros del centro de la Luna. Lo malo es que el cable tendría que ser realmente largo -del orden de 260.000 kilómetros (!!)-, pero lo bueno es que el ascensor lunar podría construirse a partir de materiales comunes, como la fibra de carbono, y sería infinitamente más barato que un ascensor terrestre (claro que su utilidad también sería muy inferior). No son pocos los que piensan que, de construirse, el primer ascensor espacial estará en la Luna y no en la Tierra. Una posibilidad aún más exótica pasa por prolongar el cable del ascensor lunar y llevarlo hasta la atmósfera terrestre. Allí el extremo del cable se desplazaría a una velocidad no excesiva y se podría usar un avión para alcanzarlo y trasladar la carga. ¡Un puente entre la Luna y la Tierra! Eso sí que es pensar a lo grande.

Concepto de ascensor lunar (NASA).

Un ascensor espacial en Marte sería tecnológicamente posible, aunque tendría que oscilar para esquivar a Fobos (NASA).

Vídeo sobre el ascensor lunar:

Pero volvamos a nuestro planeta. ¿Es factible el ascensor espacial terrestre? Según los últimos estudios de la NASA se podría construir un primer ascensor prototipo con unos pocos cables de nanotubos de un metro de ancho y un espesor de pocos centímetros capaz de situar cabinas no tripuladas con una carga útil de unos 500 kg cada una. El precio de cada kilogramo en órbita saldría por 3.000 dólares, una tercera parte de lo que cuesta un lanzador convencional, lo que -con suerte- permitiría rentabilizar el proyecto en siete años. ¿Y la factura de todo esto? Unos 40.000 millones de dólares, como mínimo, suponiendo que no exista ningún obstáculo insalvable en las tecnologías relacionadas con el proyecto. Eso sí, no sería para mañana, sino más bien para dentro de unos veinte o treinta años. Como la fusión nuclear y el viaje tripulado a Marte, mira tú por dónde.

El concepto del ascensor espacial ha pasado en pocos años de ser una simple fantasía a una realidad a medias. El gran problema de este concepto es que depende directamente de la posibilidad de fabricar largas fibras de nanotubos de carbono a bajo precio. Y eso sin tener en cuenta todos los demás problemas que hemos mencionado. El ascensor espacial se lo juega todo a la carta de los nanotubos, y aún no sabemos si la jugada le saldrá bien. A día de hoy, el ascensor espacial es una quimera. Una quimera que parece no muy lejana, es cierto, pero quimera al fin y al cabo. Quizás dentro de unas décadas descubriremos que es posible hacer realidad el sueño de Artsutánov. O quizás aprenderemos una vez más lo difícil que es alcanzar el espacio y pondremos nuestras esperanzas en el descubrimiento de nuevos materiales y tecnologías. Quién sabe, es posible que de aquí a mitad de siglo puedas leer este artículo sentado comodamente en tu cabina presurizada mientras asciendes hasta el cielo en un ascensor espacial.

¿Veremos alguna vez un ascensor espacial? (NASA).

Esta ha sido la primera entrada de Eureka de la sección "Tú lo eliges, yo lo escribo". A partir de ahora queda abierta la segunda convovatoria, así que deja tu propuesta en los comentarios.

Esta entrada participa en la XXXIX Edición del Carnaval de la Física, organizado en esta ocasión por el blog El zombi de Schrödinger.

Referencias:

• www.liftport.com
• http://www.spaceelevatorblog.com/
• http://www.spaceelevator.com/docs/NIACpaper.pdf
• http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/521Edwards.pdf
• http://www.lpi.usra.edu/meetings/leag2011/pdf/2043.pdf
• http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/pervushin/artsutanov/int.html
• http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070008275_2007008602.pdf
• http://francisthemulenews.wordpress.com/2013/02/04/aplicaciones-de-los-nanotubos-de-carbono/
• http://www.spaceelevator.com/docs/521Edwards.pdf