Archivo de julio, 2016

Materiales para un ascensor espacial

Por Patricia Muñoz, Ingeniera de Materiales

Aún no disponemos de los materiales que permitan construir un ascensor espacial para conectar la superficie de la tierra con una órbita geoestacionaria.
Es una idea que investigadores de todo el mundo han tenido en mente desde hace tiempo, sin haber encontrado aún una solución práctica para llevarlo a cabo. En 1895, Konstantin Tsiolkovski, en su libro “Especulaciones sobre la Tierra y el cielo”, calculaba que en extremo de una torre cuya altura fuese unos 36000 km los cuerpos parecerían no tener peso, como ocurre con los astronautas en el interior de estaciones que orbitan la Tierra. La altura de 36000 km corresponde a la de las órbitas geoestacionarias, en las que se sitúan la mayoría de satélites. En 1960, el ingeniero ruso Yuri Artsutanov, en un artículo titulado “Al espacio en una locomotora eléctrica” explicaba que los astronautas usarían una nave de propulsión eléctrica que subiría en días al espacio, guiada por un cable como si fuera un raíl aunque reconocía que la resistencia a la tracción que debía tener el material utilizado para su construcción hacía imposible su realización práctica.

Artículo de 1960 de Yuri Artsutanov proponiendo ascensor espacial (1).

Esta idea es recurrente en ciencia ficción. Aparece por ejemplo en la franquicia de videojuegos “Halo” y en el libro “Los viajes de Tuf” del escritor de “Canción de hielo y fuego”, George R. R. Martin.

Un ascensor espacial tendría una masa contrapeso a una altura mayor de la órbita geoestacionaria, lo cual permitiría mantener de forma estable el cable, evitando que se enrollara sobre la Tierra debido al movimiento de rotación de nuestro planeta. Para mantener el equilibrio de la estructura, se situaría el anclaje en algún punto lo más cerca posible del ecuador, para minimizar los efectos de tensión por la diferencia entre la rotación de la Tierra y la órbita geosincrónica del ascensor. Una vez instalado el cable en su lugar, podrían subir y bajar por él naves y cargas a un coste relativamente más barato que el que supone actualmente el lanzamiento de una nave.

Esquema de un ascensor espacial.

Existe un informe publicado por la Academia Internacional de Astronáutica (IAA) en el que se expone que los ascensores harían más viable y segura la exploración espacial. Las cabinas ascenderían por el cable a una velocidad de unos 200 kilómetros por hora, por lo que serían necesarios unos siete días para recorrer la distancia total del ascensor. Menos tiempo y más barato que propulsar una nave hasta la ISS.

El problema infranqueable llegó al buscar un material que pudiera resistir la fuerza de tracción que aparecería en el cable. Se ha estimado que la tensión podría ser de unos 50 GPa, muy superior a la resistencia de los materiales estructurales actuales. Con el descubrimiento del grafeno y el desarrollo de los nanotubos de carbono se pensó que se podría haber encontrado el candidato perfecto. La resistencia de una malla de nanotubos de carbono, de un átomo de espesor, es de 100 GPa.

Formación de un defecto en un nanotubo de carbono sometido a tracción. (a) Situación inicial; (b) rotura de un enlace; (c) rotura de dos enlaces; (d) formación del defecto (5-7-7-5). Simulación usando dinámica molecular. (Para más detalles ver Bernholc, cap. 15 del libro Fiber Fracture, M. Elices y J. Llorca Eds.).

Nanotubos de carbono con defectos (2).

El problema al pensar en emplear estos materiales a base de carbono para construir un cable es que un pequeño defecto en la malla de átomos puede reducir las propiedades considerablemente (2). Este mismo año, se ha publicado en la revista ACS Nano un estudio de la Universidad Politécnica de Hong Kong donde han introducido defectos en una estructura de nanotubos de carbono y han observado ese detrimento en las propiedades (3).

De momento, podemos conformarnos con proyectos de empresas como Thoth Technology que ha patentado un modelo de ascensor que llegaría hasta 20 km sobre la superficie de la Tierra con una estructura parcialmente inflable (4).

Más información sobre ascensores espaciales en la ref. (1).

Referencias y enlaces:

2. Manuel Elices 2012, “Nanomateriales (3): la fibra ideal”, Blog materiales al día
3. Liyan Zhu, Jinlan Wang, and Feng Ding 2016, ”The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s Mechanical Performance by a Few Topological Defects”, ACS Nano, 2016, 10 (6), pp 6410–6415.
4. Ver noticia en http://thothx.com/news-2/.
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