Una de las principales limitaciones de las naves espaciales actuales es la cantidad de combustible que pueden llevar para realizar una misión. En el espacio todavía no hay estaciones de reabastecimiento, por lo que la cantidad de combustible que lleva una nave espacial tiene que ser administrada muy cuidadosamente. Por esta razón, en las misiones espaciales dentro del sistema solar, se aprovecha la energía cinética de los planetas y otros cuerpos celestes para acelerar o frenar a la nave sin usar combustible a través de una técnica llamada “asistencia gravitatoria”. Esta técnica permite grandes ahorros de combustible a costa de hacer más larga la trayectoria, ya que requiere que la nave espacial se acerque al cuerpo o los cuerpos celestes que le darán el impulso que requiere para cambiar su velocidad.
¿Cómo funciona?
Para entender cómo funciona la asistencia gravitatoria recordemos cómo se llevan a cabo los viajes en el espacio. Inicialmente se requiere mucha energía para alejar a la nave de la influencia del campo gravitatorio de la Tierra. Esta energía hace que la nave salga de la atmósfera y adquiera una velocidad que la hace orbitar alrededor de la Tierra o alrededor del Sol. “Orbitar” significa que la nave se mueve libremente bajo la influencia de un campo gravitacional en una trayectoria definida por las condiciones iniciales del movimiento. Esta trayectoria en una primera aproximación es una curva cónica (una elipse, una parábola o una hipérbola), que tiene uno de sus focos en el cuerpo celeste alrededor del cual orbita la nave. Decir que la nave se mueve “libremente” significa que no está utilizando combustible para moverse, sino que su movimiento está definido únicamente por el campo gravitatorio del cuerpo celeste en el que esté orbitando.
En muchos casos este movimiento “libre” es suficiente para realizar la misión de la nave espacial. Por ejemplo, en el caso de un satélite de órbita baja, una vez que la nave alcanza una velocidad de unos 8 Km/seg a una altura baja (del orden de 400 a 600 Km) y en dirección tangencial a la Tierra, permanecerá en órbita baja, la cual es aproximadamente una circunferencia con centro en la Tierra. Una velocidad mayor a los 8 Km/seg generará una elipse de mayor excentricidad, y una velocidad de 11.2 Km/seg o más logrará que la nave escape de la atracción de la Tierra y orbite alrededor del Sol.
Cuando la nave requiere de cambiar de órbita, una de las formas de lograrlo es a través de activar sus propulsores en una dirección y durante un periodo determinado y por lo tanto gastando combustible. A este encendido y apagado de los impulsores de una nave espacial es lo que se denomina “maniobras” y se caracteriza por un cambio de velocidad “instantáneo” en el vector de velocidad de la nave denominado “Delta V”. Sin embargo, otra forma de obtener un cambio de velocidad o Delta V en la nave es a través de la asistencia gravitatoria.
En la asistencia gravitatoria se obtiene un cambio neto en la velocidad y dirección del movimiento de una nave espacial a través del paso por el campo gravitacional de un planeta o un cuerpo suficientemente masivo y por lo tanto se evita el uso de combustible. Este aumento o disminución de velocidad se obtiene de la velocidad del planeta con respecto al Sol y depende de la dirección en que la nave se aproxime al planeta. Si la nave se aproxima “por detrás” del planeta en su movimiento alrededor del sol, la nave sufrirá un aumento de dos veces la velocidad del cuerpo masivo con respecto al sol. Si por el contrario, la nave se aproxima al planeta “por delante”, entonces la nave disminuirá su velocidad en dos veces la velocidad del planeta respecto al sol. Como no se puede sacar energía de la nada, en cualquiera de los dos casos el planeta también sufre un cambio de velocidad al efectuarse esta maniobra. Pierde o gana velocidad, según sea el caso, pero el cambio de velocidad del planeta es despreciable ya que su masa es muchísimo mayor que la de la nave.
Para entender lo anterior, consideremos una nave espacial que se mueve a una velocidad v respecto al Sol y se aproxima en dirección opuesta a un planeta que se mueve con una velocidad U respecto al Sol, tal y como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Velocidad de acercamiento y alejamiento de una nave en una interacción de asistencia gravitatoria vista desde un sistema de referencia fijo al planeta.
Desde el punto de vista del planeta, la nave se aproxima a él con una velocidad v+U. Una vez que la nave está dentro del campo de influencia del planeta, éste atrapará a la nave y le hará cambiar de trayectoria, tal como se muestra en la figura 1. Desde el punto de vista del planeta, la nave saldrá de su campo gravitatorio con una rapidez igual a la de llegada, es decir v+U, pero la acción gravitatoria hará que la nave cambie de dirección. El efecto de este cambio de velocidad con respecto al Sol se puede ver en la Figura 2, en donde la nave adquiere una velocidad de salida del planeta de v+2U, dado que en el sistema de referencia del Sol, la nave se mueve con una velocidad U.
Figura 2. Velocidad de acercamiento y alejamiento de una nave en una interacción de asistencia gravitatoria vista desde un sistema de referencia fijo al Sol.
La realización de maniobras de asistencia gravitatoria requiere de una minuciosa planeación de la misión, ya que la nave espacial se debe encontrar con el cuerpo celeste que va a proporcionar el cambio velocidad en el momento y posición adecuados, así como llegar con la velocidad y dirección correctas. Debe pasar lo suficientemente cerca del cuerpo para que éste le imprima un cambio de velocidad, pero no tan cerca como para que se quede orbitando alrededor de él o peor aún, se estrelle en su superficie. La planeación de la misión debe realizarse entonces a través de cálculos de astrodinámica y mecánica celeste y se lleva a cabo a través de complejos sistemas de software tales como MONTE Python, descrito en artículos anteriores.
No es algo nuevo
Ya son muchas las misiones espaciales que han hecho uso de la técnica de asistencia gravitatoria. Desde las misiones de los años 60´s del siglo pasado como la Viking y Voyager de la NASA hasta más recientemente, la misión del New Horizons que se acercó a Plutón y la misión Juno que actualmente está explorando las cercanías de Júpiter.
La siguiente animación nos muestra la trayectoria de la nave Juno en su viaje hacia Júpiter y cómo se aprovechó del impulso que le dió la Tierra en su recorrido a través del Sol para lograr su misión. Nótese que tuvieron que pasar más de dos años para que la nave Juno se volviera a reencontrar con la Tierra y recibir el impulso que finalmente la llevó hasta Júpiter.
Video 1. Asistencia gravitatoria de la Tierra para apoyar la misión de la nave Juno en su recorrido hacia Júpiter.
La asistencia gravitatoria es un ejemplo del aprovechamiento de las leyes de la física para solucionar un problema práctico como es la limitación del combustible para realizar viajes interplanetarios. Esto es un ejemplo de la imaginación y creatividad de los seres humanos que seguramente continuará asombrándonos en nuestra jornada Hacia el Espacio.
