El Ascensor Espacial es una de esas ideas que parece tener un suministro interminable de vidas. Originalmente propuesto hace aproximadamente un siglo, este concepto requiere una atadura de supermaterial que conecta una estación en órbita con la superficie de la Tierra. La rotación de nuestro planeta mantendría tensa esta atadura, y un sistema de “ascensores” transportaría personas y cargas útiles hacia y desde el espacio. Los desafíos de ingeniería y los costos asociados con una estructura de este tipo siempre han sido enormes. Pero cada generación más o menos, surgen nuevas investigaciones que hacen que los ingenieros y las agencias espaciales reevalúen el concepto.
El mayor desafío siempre ha sido la atadura, ya que ningún material conocido ha sido lo suficientemente fuerte para manejar las tensiones involucradas. ¡Pero resulta que este problema finalmente puede resolverse! Según los científicos del Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales (ISEC), un proceso de fabricación rentable podría producir cintas de grafeno que son lo suficientemente fuertes como para formar una atadura. Sus últimos hallazgos se detallan en un artículo que presentarán en el próximo Congreso Astronómico Internacional de 2022 en París.
La investigación fue dirigida por Adrian Nixon, científico de grafeno y materiales 2D, miembro de la Royal Society of Chemistry, fundador y editor de Nixene Publishing, y miembro de la junta de StellarModal y el ISEC. A él se unieron Dennis Wright, vicepresidente de ISECIBM y ex investigador del Laboratorio Nacional de Aceleradores del Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), y el Dr. John Knapman, ex especialista en IA de IBM, miembro de la Sociedad Interplanetaria Británica. , y el Director General del ISEC.
La publicación insignia de Nixene (el Nixene Journal) es un miembro afiliado del Centro de Innovación en Ingeniería de Grafeno (GEIC) de la Universidad de Manchester. Esta instalación de ingeniería se especializa en el desarrollo rápido y la ampliación de grafeno y otros materiales 2D.
Breve historia
Como la mayoría de las ideas revolucionarias tradicionales para la exploración espacial, el ascensor espacial se remonta al científico de cohetes ruso/soviético Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935). Considerado como el principal candidato para el título de “Padre de la Cohetería” (los otros dos son Hermann Oberth y Robert Goddard), Tsiolokovsky es responsable de desarrollar la “Ecuación del cohete” y el diseño del que se derivan la mayoría de los cohetes modernos. En sus reflexiones más aventureras, propuso cómo la humanidad podría construir estaciones giratorias de molinete en el espacio y un ascensor espacial.
Esta propuesta se inspiró en su visita a París en 1895, donde vio por primera vez la Torre Eiffel (la construcción había terminado en 1889). A partir de este encuentro, Tsiolkovsky concibió una estructura que alcanzó la órbita geoestacionaria (OSG), o una altitud de 36.000 km (22.370 mi). Sin embargo, la versión de la idea de Tsiolkovsky requería una estructura de compresión en lugar de una de suspensión. También señaló que la idea no era realista ya que ningún material conocido era lo suficientemente fuerte para soportar el peso de la estructura en pie.
Al comienzo de la era espacial, la idea fue reexaminada por científicos soviéticos y estadounidenses como una estructura de suspensión. Los ejemplos incluyen la propuesta del ingeniero soviético Yuri Artsutanov (1959) para un “Tren eléctrico al Cosmos” y el “Sky-Hook” propuesto por un equipo de ingenieros estadounidenses en 1966. Estas y otras versiones involucraron varios elementos de diseño compartidos, comenzando con un “ancla” sujeta a un punto fijo en tierra o a una plataforma móvil en el mar. El “Anclaje” se extendería desde esto hasta un “Contrapeso” en el espacio, que podría ser un asteroide capturado, una estación espacial más allá de la OSG o una combinación de ambos.
Una serie de “trepadores” (o teleféricos) llevaría tripulaciones y cargas útiles a la órbita, que podrían funcionar con paneles solares, reactores nucleares, transferencia inalámbrica o directa de energía. Desde principios de la era espacial, el concepto se ha mantenido prácticamente sin cambios, al igual que los beneficios propuestos de tal estructura.
Beneficios
La perdurable popularidad del Space Elevator es fácil de comprender a la luz de los beneficios que implicaría tener uno. La más obvia es la capacidad de enviar cargas útiles y personas al espacio por una fracción del coste de lanzarlas a través de cohetes. También nos permitiría construir naves espaciales y estaciones espaciales en órbita, eliminando la necesidad de fabricar sus respectivos componentes o módulos en la Tierra y lanzarlos al espacio utilizando cohetes de carga pesada. ¡Este proceso nunca ha sido barato!
Entre 1970 y 2000, los costes de lanzamiento se mantuvieron relativamente constantes en un promedio de ~$18,500 por kg ($8,400 por lb). Gracias al desarrollo de cohetes reutilizables como el Falcon 9 y el Falcon Heavy de SpaceX, ese precio se ha reducido a $1410 y $2719 por kg ($640 y $1235 por lb). Según un análisis realizado por Tyson M. Sparks (Universidad de Colorado, York Space Systems LLC) en 2014, el coste de enviar cargas útiles a la órbita con un elevador espacial podría ser tan bajo como $113 por libra ($250 por kg).
Como explicó Nixon a Universe Today por correo electrónico, otro beneficio es que un Space Elevator es una “tecnología verde” que puede llevar cargas útiles masivas a la órbita sin el impacto ambiental de los lanzamientos de cohetes. Según las investigaciones actuales, el lanzamiento de un solo cohete puede liberar hasta 300 toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera superior. Dada la creciente demanda de lanzamientos de satélites, Internet de banda ancha y la comercialización de la órbita terrestre baja (LEO), podría convertirse en el mayor impulsor del cambio climático antropogénico.
Por el contrario, los vagones no producen emisiones nocivas de gases de efecto invernadero y pueden funcionar con una combinación de reactores nucleares y solares basados en el espacio. Además, un elevador espacial reduciría el costo por kilo de transferir cargas útiles a la órbita y sería mucho más eficiente que cientos o miles de lanzamientos de cohetes. Nixon dijo:
“Los cohetes son muy buenos para entregar de manera rápida pequeñas cantidades de cargas útiles de alto valor al espacio. La economía espacial se está desarrollando rápidamente con planes para misiones como una colonia en Marte, una aldea lunar y energía solar espacial. Las misiones planeadas requieren grandes cantidades de levantamiento de masa desde la superficie de la Tierra hacia el espacio. Sin embargo, la limitación clave de los cohetes es su incapacidad de escalar para entregar grandes cantidades de masa al espacio de manera sostenible. La ecuación del cohete significa que incluso un SpaceX StarShip (el sistema de cohetes más eficiente) solo puede entregar el 2% de la masa en la plataforma de lanzamiento a la órbita terrestre baja”.
Estos se hacen eco de uno de los aspectos más publicitados de la “Era espacial 2.0”, que son las promesas hechas por empresarios como Musk, Bezos, Branson y otros. Entre ellos, está la promesa de “construir un camino al espacio”, aumentar el acceso a través de la comercialización y establecer el primer puesto avanzado humano en Marte. Pero como agregó Nixon, los problemas persistentes de coste, ineficiencia e impacto ambiental de los lanzamientos de cohetes significan que estas promesas no se cumplirán. “El ascensor espacial tiene la capacidad de levantar carga masiva y entregarla diariamente, de manera económica, segura, rutinaria y con un enfoque ambientalmente neutral, cumpliendo las promesas de esta misión”.
“Nuestro equipo cree que el desarrollo de la infraestructura de acceso espacial permanente del Space Elevator es IMPRESCINDIBLE para que la humanidad salve la atmósfera y permita un movimiento audaz fuera del planeta”, agregó el presidente y director de ISEC, el Dr. Swan. “Los cohetes son nuestro enfoque histórico para estos sueños, pero no tienen el poder ni el alcance para satisfacer las necesidades de la humanidad. La ecuación del cohete es un asesino de sueños: estadísticas de entrega extremadamente bajas y daños en el camino a nuestra atmósfera. DEBEMOS hacer el ascensor espacial. Creemos que existe una colaboración y cooperación entre cohetes avanzados y ascensores espaciales que serán nuestro futuro”.
El “problema de la atadura”
Desafortunadamente, cada evaluación del concepto propuesta anteriormente ha tenido un talón de Aquiles. En resumen, un Space Elevator no ha sido factible en las últimas décadas ya que ningún material conocido tenía la resistencia a la tracción para soportar el peso de la estructura. En 1979, Arthur C. Clarke resumió el problema durante su discurso ante el 30º Congreso Astronáutico Internacional (IAC), titulado “El ascensor espacial: ‘¿Experimento mental o clave para el universo?'”:
“¿Qué tan cerca estamos de lograr esto con materiales conocidos? No mucho. El mejor cable de acero solo podía manejar unos miserables 50 km (31 millas) de suspensión vertical antes de romperse por su propio peso. El problema con los metales es que, aunque son fuertes, también son pesados; queremos algo que sea a la vez fuerte y ligero. Esto sugiere que deberíamos considerar los materiales sintéticos y compuestos modernos. Kevlar… por ejemplo, podría sostener una longitud vertical de 124 mi (200 km) antes de romperse: impresionante, pero aún totalmente inadecuado en comparación con los 3100 (5000) necesarios”.
Con el desarrollo de los nanotubos de carbono (CN) en la década de 1990, hubo un interés renovado en los ascensores espaciales. En junio de 1999, David Smitherman de la Oficina de Conceptos Avanzados (ACO) de la NASA pronunció un discurso en el Taller de Infraestructura Espacial Avanzada, proponiendo que los CN podrían hacer factible un ascensor espacial. Sus argumentos también se publicaron en un informe de 2000 titulado “Ascensores espaciales: una infraestructura terrestre-espacial avanzada para el nuevo milenio”.
Ese mismo año, el científico de la NASA Bradley C. Edwards realizó un estudio de factibilidad con el apoyo del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC). En su informe final (titulado “El elevador espacial”), afirmó que los nanotubos de carbono eran el mejor candidato ya que se creía que tenían la resistencia a la tracción y la densidad necesarias: 130 gigapascales (GPa) y 1300 kg/m³, respectivamente. En 2003, siguió con el Informe Final de la Fase II del NIAC, que contenía evaluaciones igualmente optimistas. Sin embargo, sus conclusiones se basaron en la teoría y la simulación y no consideraron dos problemas principales con los NC.
Estos incluían el problema de la producción en masa, ya que los naftalenos clorados se cultivan y no se producen mecánicamente, con una longitud máxima de unos 50 cm (20 pulgadas), logrado por investigadores de la Universidad de Tsinghua en Beijing. Peor aún, los enlaces covalentes hexagonales que dan a los nanotubos de carbono su alta resistencia a la tracción también significan que es probable que se deshilachen cuando se someten a una tensión extrema. Como resumió Nixon:
“El estudio informó en 2003 que el ascensor espacial se basaba en ciencia sólida y podía construirse con la tecnología de ingeniería actual; solo quedaba una parte por resolver: la correa. El material de sujeción debe ser increíblemente fuerte y liviano. El único material en ese momento eran los nanotubos de carbono (CNT). En el momento del informe NIAC en 2003, los CNT no podían hacerse más largos que unos pocos mm. El desarrollo de CNT no ha avanzado en las últimas dos décadas, y la comunidad espacial perdió interés en el ascensor espacial”.
¡Menos de un año después de que se emitiera el informe NIAC Fase II, se aisló por primera vez otro supermaterial a base de carbono que mostró un inmenso potencial!
¿Grafeno al rescate?
Al igual que los nanotubos de carbono, el grafeno es un alótropo del carbono que consta de una sola capa de átomos dispuestos en estructuras de celosía hexagonal. A diferencia de los NC, el grafeno es un material bidimensional dispuesto en una hoja. Los profesores de la Universidad de Manchester, Andre Geim y Konstantin Novoselov, descubrieron el material y recibieron el Premio Nobel de Física 2010 “por experimentos innovadores sobre el material bidimensional grafeno”.
El material tiene increíbles propiedades eléctricas pero también una increíble resistencia a la tracción. Una hoja de grafeno monocristalino tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 200 veces la del acero, hasta 130 gigapascales (GPa), que está dentro de las tolerancias especificadas en el Informe NAIC II. En 2021, Nixon y sus colegas de Nixene Publishing, Debbie Nelson (editora colaboradora y directora de proyectos) y Rob Whieldon (director de operaciones), tuvieron la oportunidad de informar a la NASA sobre el potencial del grafeno. Su sesión informativa, “Imposible industrializarse en 17 años”, fue parte de la Serie de conferencias sobre el espacio comercial.
En esta teleconferencia semanal, la NASA se reúne con representantes del sector espacial comercial para discutir oportunidades de asistencia mutua. En su presentación, mostraron cómo la producción de grafeno había llegado al punto en que se pueden producir fibras de grafeno continuas a escala de kilómetros. Los ejemplos incluyen cómo en 2020, los investigadores del MIT desarrollaron una técnica continua de rollo a rollo que podría crear grandes hojas de grafeno a una velocidad de alrededor de 2 metros (6,5 pies) por minuto. Además, la empresa General Graphene, con sede en Tennessee, recientemente inició operaciones utilizando el método CVD para producir grafeno policristalino.
Y en Corea, la empresa industrial Charmgraphene ha anunciado que puede fabricar láminas de grafeno policristalino a velocidades de 2 metros (6,56 pies) por minuto y longitudes de 1 km (0,62 mi). Todas estas empresas están produciendo grafeno policristalino destinado a la electrónica, no la variedad monocristalina 2D con la mayor resistencia a la tracción. Pero como explicó el Dr. Swan, se están moviendo en la dirección correcta:
“Estamos empezando a ver la fabricación de láminas de grafeno de gran superficie. Si bien este método se ideó para producir electrodos de grafeno que permitirían dispositivos solares y pantallas de visualización flexibles y livianos, la técnica se puede adaptar para crear el material para una atadura”.
Por el bien de su artículo más reciente, que presentarán ante el IAC de 2022, el Dr. Nixon y sus colegas consideraron los beneficios del grafeno monocristalino 2D frente a otros materiales candidatos. La clave aquí era sopesar la resistencia a la tracción frente a la velocidad y la rentabilidad del proceso de producción, determinando así qué supermaterial ofrecía el mayor equilibrio entre costes y beneficios. Nixon dijo:
“Investigamos tres materiales candidatos para el estudio: nanotubos de carbono (NCT), grafeno y nitruro de boro hexagonal (hBN). hBN es otro material 2D, casi tan fuerte como el grafeno y también un material de sujeción candidato. El proceso para fabricar materiales 2D y NCT se denomina método de deposición química de vapor (CVD). El proceso de CVD utiliza gas metano para producir grafeno, y esta es una materia prima económica y la base para la fabricación industrial actual”.
Como concluyen, se ha avanzado muy poco en la fabricación de NC en las últimas tres décadas, el proceso es dolorosamente lento y los tubos resultantes nunca son lo suficientemente largos. Y si bien el hBN es robusto en términos de resistencia a la tracción y el proceso de fabricación es prometedor (por lo general, produce policristalino a escala de oblea de 200 mm para aplicaciones electrónicas), aún no tiene la escala y las velocidades necesarias para crear una atadura. El grafeno combina lo mejor de ambos mundos cuando se usa para crear la variedad Single Crystal.
En la actualidad, Nixon y sus colegas del ISEC estiman que se podría generar suficiente material para fabricar el “cable” por un coste de $ 18 mil millones, menos que el presupuesto de la NASA para 2022 de $ 24 mil millones. Aún más alentador, estiman que con el apoyo y el desarrollo adecuados, el precio de producir láminas de grafeno 2D monocristalino podría caer a tan solo 1 centavo por metro cuadrado (1/10 de centavo por pie cuadrado), lo que significa que se podría construir una atadura por $ 3,6 mil millones (aproximadamente el 15% del presupuesto de la NASA para 2022).
El “camino verde” al espacio
Más allá de evaluar los materiales que podrían hacer realidad esta megaestructura tradicional, ¡el ISEC también se compromete a hacer realidad un Ascensor Espacial en el transcurso de nuestras vidas! Sin embargo, la arquitectura general que prevé el ISEC (llamada “Puerto Galáctico”) va más allá de la creación de un solo ascensor. En su documento de posición de ISEC de 2020, titulado “Los ascensores espaciales son la historia del transporte del siglo XXI”, compartieron su visión de una serie de instalaciones de “Puerto galáctico” en todo el mundo. Cada instalación constaría de dos ascensores en el Océano Atlántico, el Océano Índico y el Océano Pacífico.
La arquitectura de la misión también implica el uso de cohetes y ascensores trabajando en conjunto para crear una infraestructura de transporte espacial que facilitará la “migración humana” desde la Tierra y el establecimiento de la humanidad como una especie “interplanetaria”. Para acelerar el desarrollo de esta arquitectura, el Dr. Swan y sus colegas Vern Hall (especialista en la industria del transporte e ingeniero) y Michael Fitzgerald (especialista en proyectos de la USAF) lanzaron Galactic Harbour Associates (GHA). Junto con múltiples fundaciones de investigación y socios comerciales, esta empresa se dedica a comenzar las operaciones iniciales con el primer puerto galáctico para 2037.
Los beneficios del puerto espacial fueron explicados por el Dr. Swan y sus colegas en el documento de posición de ISEC de 2020, así como en su estudio más reciente “Space Elevators, the Green Road to Space”. Estos incluyen poder enviar 30.000 toneladas métricas (33.069 toneladas estadounidenses) de cargas útiles a GSO y más por año, en función de su capacidad operativa inicial. A plena capacidad, podrá enviar 170.000 toneladas métricas (187.393 toneladas estadounidenses) a la OSG a una fracción del coste (en comparación con los cohetes) y sin contaminar la atmósfera. Esto permitirá mucho más, incluyendo:
- Permitir la energía solar basada en el espacio mientras se respaldan los Acuerdos de París
- Habilitación de infinitas oportunidades para empresas comerciales, investigación y viajes.
- Elevación de cargas útiles como Green Road to Space, ayudando a salvar nuestra atmósfera
- Mejorando la vida en la Tierra con grandes logros en el espacio
- Permitir la finalización temprana de proyectos masivos, como pueblos lunares
- Permitir un tránsito rápido a la órbita (7,76 km/seg) de manera rutinaria, segura y robusta
- Permitir el tránsito rápido de tripulaciones y cargas útiles a Marte (mínimo de 61 días a más de 400 días)
- Permitir que se lancen misiones a Marte todos los días (no solo cada 26 meses)
- Habilite la creación de estaciones espaciales en GSA, Lagrange Points y más allá
Seguro que algunos de estos beneficios sonarán familiares (y bastante específicos) para el observador avezado en los vuelos espaciales y el sector espacial comercial. En resumen, un elevador espacial ayudaría a Elon Musk a realizar su visión de enviar 1 millón de personas a Marte de aquí a 2050, mientras que Bezos podría realizar su sueño de establecer hábitats en órbita y en los puntos de Lagrange, lo que llevaría a una civilización de “un billón de personas”. humanos en el Sistema Solar”. Excepto que, en este caso, no implicaría que miles de cohetes llevaran pequeñas cargas útiles al espacio, con un coste de cientos de miles de millones (o billones), y sin el daño resultante a la Tierra.
Por supuesto, es necesario que sucedan muchas cosas para llegar a ese punto, y una de las más importantes es que las naciones del mundo y el sector comercial inviertan en la idea. Esto es algo que Nixon, Wright y Knapman esperan fomentar cuando se presenten en el Congreso Astronómico Internacional (IAC) de este año, que tendrá lugar en París del 18 al 22 de septiembre. Cuando se le preguntó qué esperaban lograr en el IAC de 2022, Nixon respondió con firmeza:
“En una palabra, ¡perfil! Dado que la comunidad espacial se alejó de los nanotubos de carbono, no se han dado cuenta de que existen materiales 2D. Aquellos que conocen el grafeno y el hBN no se dan cuenta del asombroso progreso que se está logrando en la fabricación de materiales 2D. Esperamos correr la voz con un artículo bien investigado, y animamos a tantas personas como sea posible a volver a interesarse en el ascensor espacial. El ascensor espacial no es ciencia ficción, está más cerca de la ingeniería. ¿Se podría construir el ascensor espacial durante nuestras vidas? Sí, por supuesto, solo depende de cuánto esfuerzo serio se dirija a esta increíble tecnología”.
Es un momento emocionante en el que vivimos, donde los costes más bajos, más competencia y más cooperación están haciendo que el espacio sea más accesible. En esta era de mayor actividad e interés renovado, se están reevaluando muchos conceptos tradicionales que alguna vez se consideraron inviables (o simplemente demasiado costosos). Pero cuando se trata de un análisis de costo-beneficio, pocas ideas tienen el mismo potencial que un elevador espacial. Como siempre, muchas preguntas deben abordarse primero para evitar que surjan desafíos adicionales en el futuro. ¡Pero no hay escasez de personas dedicadas que busquen abordarlos!
Además, es apropiado recordarle a la gente que China anunció que estaba buscando su propio Ascensor Espacial en 2018, que espera completar para 2045. Teniendo en cuenta que la economía espacial global tiene un valor de $ 447 mil millones (basado en cifras de 2020) y no muestra signos de desaceleración, ¡otras naciones y socios comerciales podrían querer participar en este proyecto en poco tiempo! Si el espacio se convierte en el mercado más expansivo y lucrativo que existe, ¡no querrás quedarte fuera!
¡Asegúrese de consultar el sitio web de ISEC para obtener recursos adicionales o convertirse en miembro, y asegúrese de seguir el IAC 2022 en París este septiembre!
Artículo con fines divulgativos basado en el artículo original en Inglés.
Créditos: Matt Williams, Universe Today
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