De la Tierra al espacio E-Book

David Iranzo Greus

• Herausgeber: Publicacions de la Universitat de València
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Sin Fronteras
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 188

Veröffentlichungsjahr: 2011

Beschreibung

En la actualidad, el espacio es mucho más que un símbolo, se ha convertido en una parte de nuestra vida, aunque no siempre somos conscientes. Desde la agricultura hasta los orígenes del universo, pasando por la comunicación o la navegación, la información que recogemos del espacio exterior nos es de una gran utilidad en el día a día. Con un lenguaje accesible, «De la Tierra al espacio» nos explica como nos lo manejamos los humanos para ir al espacio y cómo funcionan y para que sirven los satélites y las lanzadoras que enviamos allí arriba. Partiendo de la narración de los descubrimientos científicos que han protagonizado la carrera espacial del siglo pasado, el libro lanza también un vistazo hacia el futuro, hacia unas tecnologías que parecen ser ciencia-ficción, que nos ayudan, entre otras cosas, a predecir los cambios climáticos o a detectar la llegada de asteroides que podrían ser catastróficos.

Leseprobe

Director de la colección:

Juli Peretó

Coordinación:

Soledad Rubio

Esta publicación no puede ser reproducida, ni total ni parcialmente, ni registrada en, o transmitida por, un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, ya sea fotomecánico, foto químico, electrónico, por fotocopia o por cualquier otro, sin el permiso previo de la editorial.

© Del texto: David Iranzo Greus, 2011

© De la presente edición:

Càtedra de Divulgació de la Ciència, 2011

www.valencia.edu/cdciencia

[email protected]

Publicacions de la Universitat de València, 2011

www.uv.es/publicacions

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Producción editorial: Maite Simón

Diseño del interior y maquetación: Inmaculada Mesa

Corrección: Communico, C.B.

Cubierta:

Diseño original: Enric Solbes

Grafismo: Celso Hernández de la Figuera

ISBN: 978-84-370-7893-9

Pour Sandrine, la femme que jíaime

Para mi padre, mi madre y mis hermano/as

«... el sueño de ayer es la esperanza

de hoy en día y la realidad de mañana...»

ROBERT H. GODDARD, 1904

INTRODUCCIÓN

Mientras escribo estas líneas para terminar este libro se está conmemorando el cuadragésimo aniversario del primer paso del hombre sobre la Luna. Este hecho, un acontecimiento capital en la historia del siglo XX, es uno de los símbolos más conocidos del espacio, pero el mundo espacial no se limita a esto.

Vivimos en la era espacial. Desde que empecé a trabajar en el sector espacial, la gente me pregunta a menudo: «¿Por qué ir al espacio? ¿No hay cosas más importantes que hacer aquí abajo?». Debe de ser esta misma pregunta la que le hicieron a Cristóbal Colón y a todos los que le siguieron rumbo al oeste, hacia el fin del mundo. Evidentemente hay muchas cosas que hacer aquí abajo, pero también es verdad que muchas cosas que hacemos hoy en día no podríamos hacerlas si no nos escapásemos de la Tierra para subir al espacio: ¿qué tiempo va a hacer mañana?, ¿a qué hora echan el partido de la final del Mundial de Sudáfrica?, ¿puedo llamar por teléfono a mi hermano que está en Australia?, ¿qué carretera cogemos para ir a casa de Vicente? Casi todas estas preguntas no tendrían ningún sentido o no tendrían respuesta si el ser humano no pudiera ir al espacio o enviar objetos allí arriba. Todos los días utilizamos casi sin darnos cuenta satélites de comunicación, de meteorología o de navegación. Parece ser que un ministro europeo dijo una vez: «¿Para qué vamos a lanzar un satélite de meteorología si para saber el tiempo que va a hacer basta con encender la tele?».

Aunque no nos demos cuenta y aunque no lo conozcamos y nos parezca algo misterioso, el espacio forma parte de nuestra vida.

Además de todas estas aplicaciones, la búsqueda de lo desconocido, de las respuestas a las preguntas, ha estado grabada desde siempre en los genes humanos, esto nos diferencia del resto de los animales. Y si el precio del acceso al espacio nos puede parecer caro, ¿qué precio tiene el conocimiento científico? Sólo saliendo al espacio podremos resolver algún día el enigma del origen de nuestro planeta, del origen de la vida, de nuestro origen. Aunque parezca increíble nosotros también venimos del espacio: cada átomo de nuestro cuerpo se formó hace millones de años en la combustión de estrellas ya desaparecidas. En realidad somos «polvo de estrellas».

Finalmente, volviendo al viaje de Colón hacia América, el ser humano siempre ha buscado la aventura, siempre ha intentado descubrir, y ahora que conocemos más o menos nuestro planeta, el espacio nos ofrece una fuente casi infinita de mundos por explorar. No sólo eso, sino que además el espacio nos ayuda a conocer mejor nuestro planeta y nos enseña cómo protegerlo para legarlo a las generaciones futuras. La observación de nuestro planeta desde el espacio ha sido fundamental en la comprensión del cambio climático, así como la exploración de Marte y Venus, donde fenómenos similares se pueden estudiar más fácilmente.

Colón pensaba encontrar un camino para llegar a Asia navegando hacia el oeste y encontró un nuevo mundo. Por muchas razones que encontremos para ir al espacio, nunca podremos imaginar todo lo que podremos descubrir, los nuevos mundos que nos esperan.

Este libro intenta contestar a algunas preguntas sobre el espacio: cómo podemos llegar al espacio, la corta historia de la aventura humana para llegar hasta él, los beneficios para todo el mundo y lo que nos espera en el futuro. El espacio es un medio hostil para los seres humanos y para los objetos que fabricamos, con temperaturas extremas, y un «vacío lleno» de radiaciones peligrosas para nuestro organismo y para nuestros vehículos llenos de componentes electrónicos. Satélites, sondas, vehículos y lanzaderas deben ser controlados y verificados de forma exhaustiva, puesto que no tenemos derecho al error: en la mayoría de casos, un error es irremediable. Es por esto que el espacio es una fuente de desarrollo de tecnologías de alta fi abilidad, muchas de las cuales se utilizan después aquí en la Tierra todos los días.

Tengo la suerte de trabajar en una actividad apasionante, con gente y equipos que piensan tener tanta suerte como yo. Una actividad, el espacio, donde los errores no perdonan pero donde los éxitos son fuente de extraordinarias alegrías y motivación. Desde mis estudios universitarios, cuando tuve la ocasión de trabajar en el diseño de un vehículo para ir a la Luna, hasta mis actividades de hoy en día, que me llevan a los gigantescos edificios de montaje de la lanzadera europea Ariane y a la sala de control del Centro Espacial de la Guayana Francesa, desde donde se producen los despegues, mi interés y fascinación por el espacio no ha hecho más que aumentar. Un mundo, el espacio, donde trabajan actualmente una gran cantidad de ingenieros y científicos españoles, en empresas españolas, pero también en empresas europeas o en la Agencia Espacial Europea.

A pesar de esto, el mundo espacial sigue siendo un mundo desconocido y misterioso para la mayoría de los españoles (y de los europeos). Inspirado por el interés que mis actividades despertaban a mi alrededor, decidí escribir este libro. He intentado explicar el espacio sin fórmulas matemáticas o físicas, utilizando ejemplos de la vida cotidiana. Para los que prefi eran las fórmulas, un corto anexo al final del libro podrá empezar a saciar su curiosidad.

Pero por supuesto que no intento explicarlo todo sobre el espacio, ya que unas cuantas páginas no pueden resumir toda la ciencia y la tecnología relacionadas con el espacio. Aun así, si solamente unos cuantos de los lectores terminan teniendo ganas de aprender algo más sobre el espacio, me sentiré muy satisfecho.

Gracias a Fernando Sapiña y a Publicacions de la Universitat de València sin los cuales este libro no existiría, y gracias a todos los que me han ayudado a mejorarlo. Gracias a los que me han leído, a Vicente, Alfonso, María José, Óscar, Ana y Marisa, y sobre todo gracias a Alan por la idea y a Sandrine por su cariño.

Suresnes, agosto del 2009

Capítulo 1

CÓMO VAMOS AL ESPACIO

En el próximo capítulo veremos que desde la prehistoria el ser humano ha mirado hacia el cielo de día y de noche para intentar comprender lo que había allá arriba. Pero después de miles de años de observación, hace apenas cincuenta años que hemos conseguido llegar al espacio. ¿Por qué hemos tardado tanto? ¿Es tan difícil ir al espacio?

IR AL ESPACIO Y PONERSE EN ÓRBITA

Antes de saber cómo vamos al espacio, es necesario saber dónde está el espacio. El planeta Tierra es una gran bola de roca y agua envuelta por una capa muy fina de gases que llamamos atmósfera. Estos gases –nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono mayoritariamente– nos protegen de las radiaciones del espacio y contribuyen a mantener la Tierra a una temperatura que permite la existencia de la vida. Subiendo hacia arriba, se considera generalmente que el espacio empieza allí donde termina la atmósfera. Pero el aire de la atmósfera no se acaba a una altura exacta, sino que disminuye progresivamente. Para hacernos una idea, a una altura de 90 kilómetros, hay un millón de veces menos aire que al nivel del mar: se puede considerar que el espacio empieza a partir de unos 100 a 120 kilómetros de altura. En comparación, los aviones de transporte de pasajeros vuelan a una altura de unos 10 kilómetros.

¿Y cómo vamos al espacio? La respuesta es: sólo hay que encontrar un medio de transporte que nos permita subir suficientemente alto. Isaac Newton, hace unos 350 años, nos dio las leyes de la física, que son la clave que nos permite ir al espacio: las tres leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal.

Las tres leyes del movimiento son:

1. Si no se ejerce ninguna fuerza, un objeto parado continuará estando parado, y si el objeto se mueve, continuará moviéndose a velocidad constante para siempre. Aquí abajo, en el suelo, es difícil ver cómo se aplica esta ley, porque cuando empujamos un objeto siempre termina parándose. Pero si se para, por ejemplo cuando golpeamos un balón o empujamos un carro de la compra, es porque hay alguna fuerza que lo frena: la fricción del aire o del suelo. Pero cuando vamos al espacio, salimos de la atmósfera, así que ya no hay aire, y entonces si un objeto se mueve, continuará moviéndose hasta que aparezca alguna fuerza.

2. Cuando ejercemos una fuerza sobre un objeto, éste acelerará, y cuanto más ligero sea el objeto, más grande será la aceleración. Esta ley es bastante intuitiva y la aplicamos inconscientemente todos los días: si empujamos con la misma fuerza un carro de la compra lleno y otro vacío, este último se moverá más rápidamente.

3. Si un primer objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, este último ejercerá una fuerza igual de grande pero en sentido contrario sobre el primer objeto. Por ejemplo, imaginemos dos patinadores en medio de una pista de patinaje sobre hielo. Si uno de ellos empuja al otro, el segundo patinador sentirá una fuerza que lo separará del primero. Pero, al mismo tiempo, el patinador que lo ha empujado sentirá también una fuerza en dirección contraria que también hará que se aleje del otro patinador. Un ejemplo de esta ley que explica más claramente cómo funcionan los cohetes es lo que ocurre cuando hinchamos un globo con aire y los soltamos sin cerrarlo. La presión del aire dentro del globo hace que el aire salga rápidamente por el lado abierto, y empuja el globo en dirección contraria, como sucede con los dos patinadores.

La ley de la gravitación universal es la ley fundamental que rige el movimiento de todos los cuerpos en el espacio. Esta ley establece que dos objetos se atraen con una fuerza que aumenta cuanto más pesados son éstos (o cuanta mayor masa tienen) y cuanto más cerca están. Esta ley explica por qué cuando soltamos una piedra en el aire ésta cae al suelo. La Tierra –el planeta– y la piedra se atraen, pero evidentemente, como la Tierra es mucho más pesada que la piedra, es esta última la que acelera hacia la Tierra –de acuerdo con la segunda ley de Newton.

Bueno, y ahora que ya tenemos las leyes, ¿cómo vamos al espacio? Si el espacio empieza a partir de unos 120 km de altura, sólo haría falta empujar muy fuerte un objeto hacia arriba para que llegara hasta esta altura. ¿Podríamos decir entonces que lo hemos enviado al espacio? Sí. Pero la pregunta siguiente es: ¿qué pasará cuando llegue a 120 km? La ley de la gravitación universal nos indica lo que ocurrirá: la atracción de la Tierra hará que el objeto vuelva a caer. ¿Y si lo enviamos más hacia arriba?, ¿a 200 km?, ¿a 10.000 km?, ¿a 100.000 km? No hay nada que hacer, el objeto volverá a caer.

La gente suele preguntar, ¿hasta qué altura hay que subir para que no haya gravedad? Y la respuesta es que por mucho que subamos SIEMPRE habrá gravedad.1 Entonces, ¿por qué flotan

los astronautas que vemos en la tele? ¿Por qué no sienten ellos la gravedad? ¿A qué altura están? Los astronautas que vemos en la tele, en el transbordador americano o en la Estación Espacial Internacional, están a una altura de entre 200 y 400 kilóme tros. ¿Y por qué no caen? La respuesta es la misma que explica por qué cuando damos la vuelta muy rápidamente a un cubo lleno de agua y por un instante queda boca abajo no cae el agua. Al girar el cubo rápidamente en un círculo, la velocidad crea una inercia que «empuja» el agua hacia arriba y contrarresta el efecto de la gravedad. En realidad se trata de la simple aplicación de la primera ley de Newton: el objeto que se desplaza a gran velocidad tiene una tendencia natural a continuar a la misma velocidad y en la misma dirección, y la gravedad «sólo» consigue desviar la velocidad curvando su trayectoria. Los astronautas no están flotando, sino que están «cayendo» continuamente, pero como se mueven a gran velocidad la gravedad de la Tierra no consigue hacerlos caer y sólo «desvía» su trayectoria, lo que crea una circunferencia alrededor de la Tierra: la órbita.

Esta es la diferencia entre ir al espacio y ponerse en órbita. Para ir al espacio sólo tenemos que subir hasta unos 120 km. Pero si queremos quedarnos allí, tenemos que ponernos en órbita, y para esto es necesario alcanzar una velocidad muy grande. Esta velocidad creará la inercia (popularmente conocido como fuerza centrífuga, aunque en realidad esta fuerza no tiene existencia física), que equilibrará la fuerza de la gravedad. Y una vez que las dos fuerzas se cancelan mutuamente, ya no hay ninguna fuerza: ¡ya podemos decir que estamos en órbita y podemos fl otar tranquilamente!

Veamos otra forma de expresarlo. Hace varios siglos Isaac Newton explicó lo que había que hacer para ponerse en órbita alrededor de la Tierra. Imaginad que hubiera una montaña muy alta, de unos 120 km, que nos permitiera salir de la atmósfera. Si subimos a lo alto de la montaña y lanzamos una piedra, ésta caerá al lado de la montaña. Si lanzamos otra piedra con un poco más de fuerza caerá más lejos. Si seguimos lanzando piedras cada vez con más velocidad, como la Tierra es redonda, al final la piedra llegará tan lejos que nos golpeará la cabeza por detrás, después de haberle dado la vuelta a la Tierra. Esta piedra ya estará en órbita.

Figura 1. Si lanzamos una piedra hacia arriba con suficiente velocidad, ésta llegará al espacio pero volverá a caer (1). Si la lanzamos hacia delante con suficiente velocidad, a unos 28.000 km/h, se pondrá en órbita (3).

¿Y qué velocidad es necesaria para anular la fuerza de la gravedad y ponerse en órbita? La Estación Espacial Internacional da vueltas alrededor de la Tierra a una altura de unos 300 kilómetros, y ¡necesita una velocidad de unos 28.000 kilómetros por hora para quedarse en órbita y no caer! Pero entonces, necesitará mucho combustible para mantenerse allí arriba a esta velocidad, ¿no? No, no necesita combustible para mantener la velocidad. Una vez más, la primera ley del movimiento de Newton responde a nuestra pregunta. Si recordamos, esta ley dice que si un objeto está en movimiento, continuará en movimiento a la misma velocidad siempre que no haya ninguna fuerza. Y como hemos visto, cuando estamos en órbita la inercia anula la fuerza de la gravedad y, como estamos fuera de la atmósfera, ya no hay aire que nos frene. Así es que, como no hay ninguna fuerza, una vez que conseguimos una velocidad suficientemente grande, ¡el objeto continuará en órbita alrededor de la Tierra sin hacer nada!

Vemos por lo tanto que estar en el espacio no es muy difícil: no hay que hacer nada (aunque luego veremos que hay otros problemas). Lo más problemático es llegar hasta allí: subir suficientemente para salir de la atmósfera y coger bastante velocidad para ponerse en órbita y quedarse en el espacio. Es por eso que necesitamos las lanzaderas. Pero antes de descubrir lo que es una lanzadera, hagamos un poco de historia.

1. En realidad, si subimos muy muy arriba, a más de un millón de kilómetros, la fuerza de la gravedad de la Tierra será muy débil, pero allí la fuerza de la gravedad del Sol comenzará a atraernos más.

Capítulo 2

UN POCO DE HISTORIA

LA CIENCIA DEL MOVIMIENTO EN EL ESPACIO

Desde que el hombre es hombre –o incluso desde antes– hemos mirado hacia el cielo y nos hemos preguntado qué eran todos aquellos objetos que bailaban allí de día y de noche alrededor de nosotros. Algunos pueblos, al no poder explicar lo que eran, los transformaron en dioses –como hicieron los egipcios con el sol; y otros hombres, aun sin poder explicar su movimiento, lo comprendieron y llegaron a poder predecirlo–. Esto queda demostrado por algunos vestigios prehistóricos, como el monumento Stonehenge en Inglaterra.

Observando el cielo nocturno, nuestros antepasados prehistóricos se dieron cuenta de que había dos tipos de objetos. Los primeros parecían estar fijos en la bóveda celeste y no se des plazaban los unos con respecto a los otros, y reaparecían cada noche casi exactamente en el mismo lugar, aunque su posición variara ligeramente a lo largo de las estaciones del año: eran las estrellas. Las variaciones en las posiciones de las estrellas durante el año sirvieron a nuestros antepasados para orientarse –imaginaron las constelaciones– y les permitieron anticipar el frío y el calor al usar este movimiento previsible como calendario. Entre las estrellas «fijas» se deslizaban otros objetos que se desplazaban más rápidamente y que tenían movimientos que parecían más irregulares: son los planetas –del griego planetes, viajeros.

El matemático griego Ptolomeo (100?-170? d. C.) fue uno de los primeros que consiguió describir de manera detallada el movimiento de los cuerpos celestes. Su teoría geocéntrica explica el movimiento de las estrellas, del Sol, de la Luna y de los planetas alrededor de la Tierra, que estaba fija –evidentemente– en el centro del universo. Esta teoría se adapta perfectamente a las observaciones que cualquier persona puede hacer mirando al cielo. Era la explicación más lógica y evidente ya que la Tierra no parecía moverse. Pese a concordar perfectamente con las observaciones, Ptolomeo tuvo que utilizar complicadas formas matemáticas para explicar el movimiento tan irregular de los planetas «alrededor de la Tierra».

Hubo que esperar casi 1.500 años para que las ideas de Ptolomeo fueran cuestionadas. En su libro De Revolutionibus Orbium Coelestium, Nicolás Copérnico (1473-1543) explicó su teoría heliocéntrica, según la cual la Tierra y los otros planetas giraban alrededor del Sol, mientras que la Luna lo hacía alrededor de la Tierra. De esta forma, la Tierra dejaba al Sol la plaza de «centro del Universo», lo cual suponía una gran revolución con respecto a las ideas fi losóficas de la época, que consideraban al hombre como el centro de todo. Las implicaciones de esta teoría causaron muchos problemas a algunos de los científicos que intentaron defenderla, como Galileo Galilei (1564-1642), quien con su telescopio observó por primera vez las lunas de Júpiter, y corroboró la idea de que no todos los cuerpos celestes giraban alrededor de la Tierra. Galileo tuvo que renunciar a sus ideas frente a un tribunal de la Inquisición ante el cual hubo de afirmar que la Tierra no se movía. Según cuenta la leyenda, una vez perdonado por el tribunal, Galileo susurró: «Y a pesar de todo, se mueve».

Johannes Kepler (1571-1630) contribuyó de manera decisiva a la teoría heliocéntrica al enunciar sus tres leyes que describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol. La primera ley de Kepler manifiesta que los planetas giran alrededor del Sol siguiendo una órbita en forma de elipse (un círculo al que se le ha estirado uno de sus diámetros), con el Sol situado en uno de los focos de la elipse. La segunda ley indica que el planeta se moverá más rápidamente cuando esté más cerca del Sol, y más lentamente cuando se encuentre más lejos. La tercera ley de Kepler concluye que el tiempo que necesitará un planeta para dar una vuelta alrededor del Sol dependerá –según una fórmula matemática conocida– de la distancia entre éste y el planeta.

Las leyes de Kepler fueron demostradas matemáticamente por la ley de la gravitación universal de Isaac Newton (16421727). Según cuenta la leyenda –una vez más– al joven Newton le cayó una manzana sobre la cabeza mientras leía apoyado en un manzano en la Universidad de Cambridge, en Inglaterra. Tras este incidente, verdadero o no, Newton escribió Principios Matemáticos de Filosofía Natural, en el que explicó por qué la manzana había caído y sobre todo que todos los cuerpos del universo se atraen entre ellos.

Aunque las leyes de Kepler y de Newton serían más tarde corregidas por la ley de la relatividad de Albert Einstein para los movimientos a gran velocidad (cercanos a la velocidad de la luz, de 300.000 kilómetros por segundo), estas leyes que describen el movimiento de los planetas son las que utilizan hoy en día los ingenieros para calcular las trayectorias de cohetes y satélites en el espacio. Pero una vez que se conocieron las leyes fundamentales que regían el movimiento en el espacio aún hubo que esperar cierto tiempo para que la tecnología necesaria estuviera disponible.

LOS PIONEROS DE LOS COHETES

Volvamos un poco hacia atrás en el tiempo. Como vimos en el capítulo anterior, para llegar al espacio hay que alcanzar velocidades de decenas de miles de kilómetros por hora. Para esto necesitamos los cohetes. Miremos hacia atrás para saber de dónde vienen.

Los cohetes utilizan el principio de la propulsión a reacción, basado en la tercera ley de Newton descrita en el capítulo anterior. Pero a pesar de que fue enunciada en el siglo XVII, esta ley fue aplicada muchos siglos antes. Probablemente los primeros cohetes aparecieron en China a partir de los siglos X u XI, ya que en esta época se conocieron en aquel lugar los principios de fabricación de la pólvora, ingrediente imprescindible para los primeros cohetes. En un principio, pequeños cohetes de pólvora se unieron a las flechas para aumentar su alcance. Como a lo largo de toda su historia, muchas de las tecnologías del espacio nacieron con fines militares.

Con la expansión de la China y las exploraciones de los europeos hacia el extremo oriente, los principios de la pólvora y de los cohetes llegaron hasta occidente. Durante varios siglos esta tecnología fue utilizada casi exclusivamente con fines militares, aunque también aparecieron en Europa, a partir del siglo XVII, los fuegos artificiales, que utilizaban estas mismas técnicas.

Habrá que esperar hasta la segunda mitad del siglo XIX