A Marte con el Ares V

Hace unas semanas pudimos ver el informe Human Exploration of Mars Design Reference Architecture 5.0. Como su nombre indica, el documento nos perfila las líneas maestras de la infraestructura necesaria para llevar a cabo una misión tripulada al planeta rojo. Uno de los objetivos a largo plazo del Programa Constellation y de la Visión para la Exploración Espacial (VSE) es mandar un hombre a Marte y, aunque aún queda muy lejos, la NASA necesita tener claro cómo puede usar el hardware del Programa Constellation (Ares V, Orión, etc.) para viajar a al planeta vecino. El esquema de misión debe cumplir con los objetivos estratégicos del Exploration Systems Architecture Study (ESAS), que viene a ser algo así como la Biblia del Programa Constellation.



El estudio identifica e intenta responder una serie de cuestiones fundamentales relacionadas con cualquier misión a Marte:

• Tipo de misión. Las propuestas de viajes tripulados a Marte pasan por dos modelos: Tipo Conjunción y Tipo Oposición. Las misiones Tipo Conjunción maximizan la estancia en el planeta rojo (más de 500 días) a cambio de travesías más cortas. Las misiones Tipo Oposición minimizan el tiempo de estancia (unos 30 días) para disminuir así la energía requerida para viajar a Marte, aunque requieren tiempos de viaje mayores. El estudio apuesta claramente por el Tipo Conjunción, pues el objetivo es el estudio del planeta rojo, más allá de la demostración técnica de mandar seres humanos a otro planeta.
• Propulsión. A diferencia de otros estudios que emplean combustibles químicos tradicionales, la NASA apuesta aquí por el uso de motores nucleares térmicos (NTR) tipo NERVA, quizás la principal novedad de la propuesta y que podría ser un problema político potencial a largo plazo.
  
• Mandar carga antes de enviar a la tripulación. Casi todas las misiones a Marte contemplan el envío de carga a la superficie del planeta antes de la llegada de la tripulación para minimizar la masa de la nave tripulada y este estudio de la NASA también hace uso de esta estrategia. En concreto, se deberá enviar previamente un módulo hábitat y la nave de regreso a la órbita marciana.
  
• Aerocaptura y aerofrenado. Para minimizar la masa de los vehículos, las maniobras de aerocaptura y aerofrenado se consideran imprescindibles para cualquier misión a Marte. El estudio considera imprescindible el uso de aerocaptura en los vehículos de carga, aunque la nave tripulada no haría uso de esta técnica para minimizar el riesgo.
  
• ISRU (In-Situ Resource Utilization). Se puede usar la atmósfera marciana para crear combustible (metano) o el hielo subterráneo para generar agua, oxígeno y combustible (hidrógeno y oxígeno). La arquitectura propuesta por este estudio apuesta por el uso de ISRU para sintetizar metano de la nave de ascenso (u oxígeno del hielo, dependiendo de la propuesta) para abandonar la superficie de Marte. El uso de ISRU podría reducir la masa de la nave de ascenso en un 30%.
  
• Generación de electricidad. Una vez en Marte, se plantea el dilema del uso de energía nuclear o solar. En este punto el estudio es claro: la energía nuclear es la única opción realista y contempla el uso de reactores de fisión de 30 kW.
  

Con estas premisas, veamos como sería entonces una misión tripulada a Marte. De entrada serían necesarios siete lanzamientos del cohete gigante Ares V y uno del Ares I. Primero despegarían cuatro cohetes Ares V para mandar dos vehículos de carga no tripulados. La novedad es que el estudio contempla el uso de cohetes nucleares térmicos (NTR) con hidrógeno líquido para minimizar la duración del viaje gracias a su alto impulso específico (del orden de los 900 s). De los cuatro lanzamientos previstos en esta primera etapa, dos cohetes pondrían en órbita baja terrestre (LEO) un par de etapas NTR que se acoplarían automáticamente con el hábitat de superficie marciana (Surface Habitat, SHAB) y la nave de ascenso (Descent/Ascent Vehicle, DAV) respectivamente. Las dos naves -de 238,1 toneladas cada una- partirían entonces hacia Marte. Obviamente primero se efectuarían dos lanzamientos para enviar el hábitat y luego otros dos para la nave de ascenso. Una de las principales características de la configuración del hábitat y la nave de ascenso es que estarían cubiertos por una gigantesca cofia de 10x30 m dotada de un escudo térmico para efectuar la aerocaptura alrededor de Marte denominada Dual Use Shroud, de unas 40 t. Tras 6-9 meses de viaje, el hábitat SHAB realizaría una maniobra de aerocaptura para permanecer en órbita baja marciana. Por su parte, la nave DAV descendería a la superficie del planeta tras la aerocaptura. Una vez allí empleará tecnologías ISRU para sintetizar metano a partir del dióxido de carbono de la atmósfera marciana. El hábitat deberá tener una masa de 64,2 toneladas, de las cuales 40 t serían carga útil que podría ser usada por la tripulación. Tendría capacidad para mantener con vida a seis personas durante 550 días y deberá transportar además a la tripulación desde la órbita baja marciana hasta la superficie. La nave de ascenso tendría una masa de 63,7 t y sería la encargada de devolver los astronautas a la órbita baja marciana al finalizar su misión en la superficie.


Modificaciones al Ares V para su uso como lanzador marciano (NASA).


Configuración de vuelo del vehículo de carga con la etapa NTR y la cofia para aerocaptura (izquierda). Detalle del Hábitat de Superficie (SHAB) (derecha) (NASA).


Configuración de vuelo del vehículo de carga con la etapa NTR y la cofia para aerocaptura (izquierda). Detalle del vehículo de ascenso (DAV) (derecha) (NASA).

Justo cuando las naves de carga lleguen al planeta rojo, comenzarán los tres lanzamientos del Ares V necesarios para ensamblar en LEO la nave tripulada, denominada ( Mars Transit Vehicle, MTV), de 283,4 toneladas. Ésta consistirá en una etapa NTR, otra etapa desechable con tanques de combustible y el módulo de la tripulación (Transit Habitat). Los tres elementos se acoplarán automáticamente a la espera de los astronautas, que partirán a bordo de una nave Orión (Orion Crew Transfer, OCT) lanzada por un Ares I. El estudio deja abierta la posibilidad de que la MTV reciba la visita de una tripulación "preparatoria" antes de la llegada de la tripulación principal. La nave tripulada partiría 26 meses después de los lanzamientos de carga. El Transit Habitat, de 41,3 toneladas, podrá mantener a seis personas durante los 400 días de viaje, así como 550 días adicionales en órbita marciana en caso de que la tripulación no pueda descender a la superficie. En un extremo del Transit Habitat estará acoplada una cápsula Orión modificada (Orion Mars Block) para el regreso de los astronautas a la Tierra tras finalizar su misión.


La nave tripulada MTV (NASA).


Las naves Orión usadas en la misión (NASA).

Una vez en camino hacia Marte, la nave tripulada expulsará los tanques de combustible usados después del encendido trans-marciano. Al llegar a Marte tras 180 días de viaje la MTV se insertaría en órbita mediante el encendido de la etapa NTR. La tripulación subiría entonces a la Orión y se acoplaría con el Surface Habitat que estaría esperando a los astronautas. Tras aterrizar con esta nave cerca del Descent/Ascent Vehicle, la tripulación permanecería 550 días en la superficie explorando el planeta. Al finalizar, se montarían el el DAV y partirían hacia la órbita marciana. Allí se acoplarían de nuevo con la MTV y pondrían rumbo hacia la Tierra mediante un encendido adicional de la etapa NTR. Al llegar a nuestro planeta -tras otros 180 días de misión- se montarían en la cápsula Orión y reentrarían en la atmósfera terrestre directamente.


Esquema de una misión a Marte (NASA).


Cronología de los lanzamientos (NASA).

La principal novedad de esta propuesta radica en el empleo de dos vehículos distintos para descender a la superficie marciana y regresar a la órbita. La mayoría de esquemas anteriores contemplan el uso de una misma nave para estas dos funciones. La ventaja de esta novedad es que la nave de ascenso puede empezar a producir combustible mediante ISRU antes de la llegada de la tripulación.

Ni que decir tiene, se trata de un plan altamente ambicioso, pero realista. En esta arquitectura la NASA apuesta decididamente por el uso de la energía nuclear para las etapas NTR de inyección marciana y para generar electricidad en la superficie, lo que constituye un cambio de política para la agencia espacial norteamericana. El punto débil de la misión es fácilmente identificable: el elevado número de lanzamientos del Ares V. Que se necesiten siete lanzamientos del cohete más potente de la historia para llevar a cabo una misión tripulada a Marte es altamente inviable, especialmente si tenemos en cuenta que durante todo el programa Apolo se llevaron a cabo doce lanzamientos del Satuno V (trece si contamos al Skylab), un cohete más pequeño que el Ares V. Un sólo fallo en los lanzamientos o durante los acoplamientos automáticos echaría por tierra la misión. Este número de lanzamientos resulta además especialmente elevado si tenemos en cuenta que ya existen propuestas más antiguas que contemplan el uso de cuatro Ares V solamente. Al estar los lanzamientos del Ares V separados por periodos mayores a 30 días se elimina la necesidad de construir una segunda rampa para este cohete -en la actualidad la NASA contempla usar el Ares V solamente desde la rampa 39A del Centro Espacial Kennedy-, pero habría que construir instalaciones adicionales para el ensamblaje de los SRB, una nueva zona de integración del Ares V en el VAB, así como dos nuevas plataformas móviles. Además sería necesaria la construcción de instalaciones para el procesado de las etapas NTR.

Otro punto débil es el uso de cofias como escudos de aerocaptura para las naves de carga, ya que estos escudos sufrirían una exposición al espacio durante medio año, con el consiguiente riesgo de que sufran desperfectos y las naves se pierdan durante la maniobra de aerocaptura.

Pero el principal inconveniente es en mi opinión el elevado número de tripulantes. No veo necesidad alguna en mandar seis personas a Marte, especialmente teniendo en cuenta que hasta la fecha todas las tripulaciones permanentes en las estaciones espaciales han estado compuestas por un máximo de tres miembros. Reducir el número de astronautas a cuatro, o incluso tres, permitiría disminuir los requisitos de masa para la misión de forma dramática, así como aumentar los márgenes de seguridad. Es una pena que el estudio no haya considerado esta opción.

En todo caso es una propuesta interesante que no está ni mucho menos cerrada y que sin duda evolucionará en los próximos años.


Comparativa entre los tiempos de viaje de una misión marciana y otros viajes históricos (???) (NASA).