Una órbita distante: Artemis explora los nuevos caminos hacia la Luna

A la tercera intentona, la NASA ha logrado poner en marcha hacia la Luna a la nave Orion, el primer paso hacia el regreso de humanos a nuestro satélite. Un viaje que llevara una trayectoria peculiar para lo que solía ser habitual en el abordaje lunar. En los años heroicos de la astronáutica, enviar u...

A la tercera intentona, la NASA ha logrado poner en marcha hacia la Luna a la nave Orion, el primer paso hacia el regreso de humanos a nuestro satélite. Un viaje que llevara una trayectoria peculiar para lo que solía ser habitual en el abordaje lunar. En los años heroicos de la astronáutica, enviar una sonda a nuestro satélite era cuestión de apuntar y disparar. No apuntar donde estaba la Luna en ese momento, sino donde estaría al cabo de los tres días que duraría el viaje. Los matemáticos rusos eran maestros en ese arte. Tan solo a veces se permitían el lujo de expulsar una nube de sodio a medio camino para estimar si la trayectoria era o no correcta. Por lo demás, si la puntería había sido buena y el cohete no sufría desvíos, llegaría; si no, bueno, se intentaría una vez más. Ahora la cosa ha cambiado.

Las limitaciones del nuevo cohete SLS, el más potente de la historia, y el interés por explorar los cráteres oscuros del polo sur lunar ha obligado a recurrir a órbitas más complejas. En el caso del primer vuelo del programa Artemis, la órbita inicial será una a baja altura (unos 100 km) pero enseguida aprovechará la propia asistencia gravitatoria de la Luna para pasar a una mucho más alargada, llamada “DRO: Orbita Distante Retrógada”. Distante porque se alejará hasta 70.000 kilómetros, aunque manteniendo un perilunio muy bajo. Y retrógrada porque girará en sentido contrario a cómo se mueve la Luna alrededor de la Tierra. Aunque esto último no es novedad: los Apolo hacían lo mismo.

70.000 kilómetros son más de lo que alcanza la esfera de atracción de la Luna. En otras palabras: Esta órbita depende no solo de la gravedad lunar, sino también de la terrestre. En concreto, es un delicado equilibrio que aprovecha la interacción con los puntos de Lagrange para asegurar una trayectoria estable. De hecho, es tan alargada que la nave Orion ejecutará dos vueltas, empleando para ello unas dos semanas. Por eso la misión durará tanto. ¿Cuánto exactamente? Dos horas después del despegue, la etapa superior del cohete impulsó a la nave Orion fuera de la órbita terrestre para ponerla en curso para un vuelo de 25 días que lo llevará cerca de la superficie lunar antes de navegar 65.000 kilómetros más allá de la luna y de regreso a Tierra. Se espera que la cápsula americe en el Pacífico el 11 de diciembre.

Solamente una nave —el orbitador de la Chang’e 5— ha utilizado hasta hoy una órbita distante. Y eso fue tras muchos meses de vuelo. Cumplida ya su misión principal de contribuir a conseguir las primeras muestras de roca lunar para China. Fue solo a principios de este año cuando, tras un largo periplo, entró en órbita lunar estable. Allí está ahora anclada, contribuyendo a estudios de interferometría de larga base.

Alcanzar esa órbita requiere un modesto incremento de velocidad. Un factor importante porque la cápsula Orion es muy pesada y sus reservas de combustible, limitadas. Tanto que, aunque resulte sorprendente, es incapaz de salir por sus propios medios de una órbita lunar a baja altura, como lo hacían los Apolo hace medio siglo. Necesita ayudarse del empujón gravitatorio que proporciona la próxima Luna al pasar muy cerca de ella. Es el mismo tipo de maniobra que se viene utilizando desde hace mucho en las sondas interplanetarias: Júpiter, Venus o la propia Tierra ayudan a incrementar la velocidad de algunas naves para dirigirlas hacia su objetivo final. Y gratis, sin consumo de combustible.

De Apolo a Artemis

Las antiguas cápsulas Apolo disponían de un motor con reservas de combustible para provocar un cambio total de su velocidad (en jerga astronáutica, “delta V”) de casi 3 kilómetros por segundo. Suficiente para frenar al llegar a la Luna (890 metros por segundo) y luego otro tanto para acelerar en el regreso a casa. Y aún quedaba margen para ejecutar varias correcciones de vuelo.

Los vehículos destinados a la Luna se equiparon con motores que permitían corregir su trayectoria a medio camino. Eso aumentaba mucho las probabilidades de éxito. La clave estaba en llegar por lo menos al punto de equilibrio entre la Tierra y la Luna. Hasta ahí, todo era subida, con la gravedad del terrestre retardando y retardando el avance de la cápsula, como ocurre con una piedra que se lanza al aire. Pero una vez allí, el viaje se volvía cuesta abajo, donde predominaba la atracción lunar con la consiguiente aceleración de la nave. El problema sería frenar, para no acabar en pedacitos sobre una llanura polvorienta.

Las cápsulas Apolo seguían ese tipo de trayectorias, bien conocidas y descritas por la mecánica newtoniana. Una vez cerca de la Luna, encendían su motor de maniobra para entrar en una órbita casi por encima del ecuador o solo ligeramente inclinada. Nada extraño, puesto que para los primeros aterrizajes se escogieron zonas de baja latitud: mientras dos astronautas exploraban el terreno, el otro, a bordo de la nave nodriza, sobrevolaba con cierta regularidad el lugar de aterrizaje. Si era necesario un despegue de emergencia, los cálculos orbitales para reunir las dos naves resultaban relativamente sencillos.

Orion dispone de un motor algo más potente, pero con tan poco combustible que no llega a la mitad de esa cifra. Eso impide utilizar la táctica del Apolo y obliga a echar mano de órbitas especiales que permitan aprovechar la gravedad de la Luna (y su interacción con la Tierra) para arañar unos cuantos metros por segundo. Por ejemplo, la “Orbita Distante Retrógrada” que se utilizará en la primera misión Artemis. O la aún más exótica “Orbita de Halo Cuasi Rectilínea” planeada para el primer desembarco, en el 2024 o más tarde.

Todas estas trayectorias ahorran combustible, pero son lentas de alcanzar. Así que los nuevos viajes a la Luna van a tomar su tiempo. Las limitaciones del Apolo en cuanto a reservas de oxígeno, consumibles y alimentos aconsejaban una ida y vuelta rápida (cosa de tres días), aunque eso supusiera un mayor gasto de combustible y un cohete gigantesco. Orion posee mucha más autonomía, así que se puede permitir un viaje más relajado: cuatro días más otros tres antes de alcanzar la órbita distante.

Cuando llegue la misión de alunizaje, la cápsula Orion aparcará en una órbita aún más extraña, conocida bajo el impronunciable acrónimo de NRHO: Orbita de Halo Cuasi Rectilínea. Nunca se ha utilizado, así que la NASA decidió probarla antes con un satélite pequeño de solo 25 kilos. Se le bautizó CAPSTONE (en inglés, “piedra angular” aunque en realidad son siglas).

Una prueba balística

CAPSTONE despegó desde Nueva Zelanda en pasado mes de junio. Iba a bordo de un cohete relativamente modesto, así que se decidió utilizar una trayectoria balística de máximo ahorro de energía. De hecho, Aprovecharía un delicado equilibrio entre Tierra, Luna y Sol para alejarse hasta más de un millón de kilómetros del planeta y luego volver a caer. Eso le permitiría llegar a órbita lunar a paso de caracol, casi sin tener que frenar. Eso sí, el ahorro se paga en tiempo de vuelo: Todavía está en camino y no llegará a destino hasta noviembre.

Esa trayectoria es un ensayo para la que en el futuro deberá seguir la estación lunar Gateway, según figura en los planes de la NASA, aunque de momento, el primer vuelo tripulado se hará sin contar con ella.

Y todavía hay otra nave más en camino hacia la Luna. Es la sonda coreana Danuri, que también sigue una trayectoria similar, moviéndose en precario equilibrio entre el tirón del Sol, la Tierra y la Luna. Son órbitas “caóticas” en el sentido matemático del término: Una pequeñísima perturbación al lanzamiento produce enormes desviaciones al final. Una variante del “efecto mariposa”. Pero son imprescindibles para enviar el máximo de carga con un cohete de tamaño medio. No hay prisa. Danuri despegó en verano y no se espera que llegue a destino hasta las Navidades.

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aquí para recibir nuestra newsletter semanal.