Una manera de reducir costes drásticamente en el futuro sería construir un ascensor espacial. La idea de elevar una cuerda hasta el cielo es vieja, como ilustra el cuento «Juan y la mata de habas», pero podría hacerse realidad si se pudiera enviar la cuerda al espacio. Entonces la fuerza centrífuga de la rotación de la Tierra sería suficiente para neutralizar la fuerza de la gravedad, de modo que la cuerda no caería nunca. La cuerda se mantendría vertical en el aire como por arte de magia y desaparecería entre las nubes. (Pensemos en una bola que gira atada al extremo de una cuerda. La bola parece desafiar a la gravedad porque la fuerza centrífuga la aleja del centro de rotación. De la misma forma, una cuerda se mantendría suspendida en el aire debido a la rotación de la Tierra). No haría falta para sostener la cuerda nada más que la rotación de la Tierra. En teoría, una persona podría trepar por la cuerda y ascender al espacio. A veces ponemos a los estudiantes de licenciatura en la Universidad de Nueva York el problema de calcular la tensión de dicha cuerda. Es fácil demostrar que la tensión de la cuerda sería suficiente para quebrar incluso un cable de acero, que es la razón de que durante mucho tiempo se haya considerado imposible la construcción de un ascensor espacial.
El primer científico que estudió seriamente el ascensor espacial fue el visionario ruso Konstantin Tsiolkovski. En 1895, inspirado por la torre Eiffel, concibió una torre que se elevaría hacia el cielo y conectaría la Tierra con un «castillo celeste» en el espacio. Se construiría de abajo arriba, empezando en la Tierra, y los ingenieros extenderían lentamente el ascensor espacial hasta los cielos.
En 1957 el científico ruso Yuri Artsutanov propuso una nueva solución: que el ascensor espacial se construyera en orden opuesto, de arriba abajo, partiendo del espacio exterior. Concibió un satélite en órbita geoestacionaria a 36.000 kilómetros por encima de la superficie terrestre, donde parecería estar estacionario, desde el que se dejaría caer un cable a la Tierra. Luego el cable se anclaría al suelo. Pero el cable para el ascensor espacial tendría que ser capaz de aguantar una tensión de aproximadamente 60-100 gigapascales. El acero se rompe a unos 2 gigapascales, lo que descarta la idea.
La idea de un ascensor espacial tuvo una acogida mucho más amplia con la publicación en 1979 de la novela de Arthur C. Clarke
Fuentes del paraíso
, y en 1982 de la novela de Robert Heinlein
Viernes
. Pero sin ningún progreso adicional, la idea languideció.
La ecuación cambió significativamente cuando los químicos desarrollaron los nanotubos de carbono. El interés en los mismos se despertó de repente gracias al trabajo de Sumió Iijima de Nippon Electric en 1991 (aunque en realidad la evidencia de los nanotubos de carbono se remonta a los años cincuenta, un hecho que fue ignorado en la época). Lo curioso es que los nanotubos son más resistentes que los cables de acero, pero también mucho más ligeros. De hecho, superan la resistencia necesaria para sostener un ascensor espacial. Los científicos creen que una fibra de nanotubos de carbono podría soportar una tensión de 120 gigapascales, que está cómodamente por encima del punto de ruptura. Este descubrimiento ha reavivado los intentos por crear un ascensor espacial.
En 1999 un estudio de la NASA consideraba seriamente el ascensor espacial; concebía una cinta, de aproximadamente 1 metro de ancho y unos 47.000 kilómetros de longitud, capaz de transportar unas 15 toneladas de carga a una órbita en torno a la Tierra. Dicho ascensor espacial podría cambiar la economía del viaje espacial de la noche a la mañana. El coste podría reducirse en un factor de 10.000, un cambio sorprendente y revolucionario.
Actualmente cuesta 20.000 dólares o más poner un kilogramo de material en órbita alrededor de la Tierra (un coste similar al de la misma cantidad de oro). Cada misión de la lanzadera espacial, por ejemplo, cuesta hasta 700 millones de dólares. Un ascensor espacial podría reducir el coste a solo 2 dólares por kilogramo. Una reducción tan radical en el coste del programa espacial podría revolucionar nuestra forma de ver el viaje espacial. Con solo apretar el botón del ascensor espacial se podría subir hasta el espacio exterior por el precio de un billete de avión.
Sin embargo, hay que resolver formidables obstáculos prácticos antes de que sea posible construir un ascensor espacial en el que podamos levitar hasta los cielos. Actualmente las fibras de nanotubos de carbono puro creadas en el laboratorio no tienen más de 15 milímetros de longitud. Para construir un ascensor espacial habría que crear fibras de nanotubos de carbono de miles de kilómetros de longitud. Aunque desde un punto de vista científico esto supone solo un problema técnico, es un problema tenaz y difícil que debe ser resuelto si queremos construir un ascensor espacial. Pero muchos científicos creen que en pocas décadas deberíamos ser capaces de dominar la tecnología para crear largos cables de nanotubos de carbono.
En segundo lugar, impurezas microscópicas en los nanotubos de carbono podrían hacer problemático un cable largo. Nicola Pugno, del Politécnico de Turín, en Italia, estima que basta con que un nanotubo de carbono tenga un solo átomo mal alineado para que su resistencia se reduzca en un 30 por ciento. En general, los defectos a escala atómica podrían reducir la resistencia del cable nanotúbico en un 70 por ciento, lo que la llevaría por debajo del valor mínimo de la tensión necesaria para soportar un ascensor espacial.
Para animar el interés empresarial en el ascensor espacial, la NASA financia dos premios independientes. (Los premios siguen el modelo del premio X Ansari de 10 millones de dólares, que consiguió animar a los inventores emprendedores para crear cohetes comerciales capaces de llevar pasajeros al límite mismo del espacio. El premio X lo ganó Spaceship One en 2004). Los premios que ofrece la NASA se denominan el Beam Power Challenge y el Tether Challenge. En el Beam Power Challenge, los equipos tienen que elevar un dispositivo mecánico que pesa al menos 25 kilogramos por un cable (suspendido de una grúa) hasta una altura de 50 metros y a una velocidad de 1 metro por segundo. Esto puede parecer fácil, pero la clave reside en que el dispositivo no puede utilizar combustible, ni baterías, ni ningún cable eléctrico. En su lugar, el dispositivo robótico debe estar alimentado por paneles solares, reflectores solares, láseres o fuentes de energía de microondas, que son más adecuadas para el uso en el espacio exterior.
En el Tether Challenge, los equipos deben producir cables de 2 metros de longitud que no pueden pesar más de 2 gramos y deben soportar una carga un 50 por ciento mayor que el mejor cable del año anterior. El desafío pretende estimular la investigación para desarrollar materiales muy ligeros y suficientemente resistentes para ser extendidos hasta 100.000 kilómetros en el espacio. Hay premios por valor de 150.000, 40.000 y 10.000 dólares. (Una prueba de la dificultad de afrontar este desafío es que en 2005, el primer año de la competición, el premio quedó desierto).
Aunque un ascensor espacial exitoso podría revolucionar el programa espacial, tales máquinas tienen sus propios riesgos. Por ejemplo, la trayectoria de los satélites próximos a la Tierra cambia constantemente mientras orbitan en torno a la Tierra (debido a que la Tierra rota por debajo de ellos). Esto significa que esos satélites colisionarían eventualmente con el ascensor espacial a 30.000 kilómetros por hora, suficiente para romper el cable. Con el fin de impedir tal catástrofe, o bien habría que diseñar los satélites para incluir pequeños cohetes que les permitieran maniobrar para rodear el ascensor, o bien el cable del ascensor tendría que estar equipado con pequeños cohetes para evitar los satélites de paso.
Las colisiones con micrometeoritos también son un problema, ya que el ascensor espacial está muy por encima de la atmósfera de la Tierra, y nuestra atmósfera normalmente nos protege de los meteoritos. Puesto que las colisiones con micrometeoritos son impredecibles, habría que construir el ascensor espacial con una protección adicional, y quizá incluso sistemas redundantes a prueba de fallos. También podrían surgir problemas de los efectos de pautas climáticas turbulentas en la Tierra, tales como huracanes, olas de marea y tormentas.
Otro medio novedoso de lanzar un objeto a una velocidad próxima a la de la luz es utilizar el efecto «honda». Cuando la NASA lanza sondas espaciales a los planetas exteriores, suele hacer que rodeen un planeta cercano para utilizar el efecto honda y aumentar así su velocidad. La NASA se ahorra mucho combustible valioso de esta manera. Así es cómo la nave espacial
Voyager
pudo llegar a Neptuno, que está cerca del límite del sistema solar.
El físico de Princeton Freeman Dyson sugirió que en un futuro lejano podríamos encontrar dos estrellas de neutrones que estuvieran dando vueltas una alrededor de la otra a gran velocidad. Acercándonos mucho a una de estas estrellas de neutrones, podríamos girar alrededor de ella y luego ser lanzados al espacio como por un latigazo a velocidades próximas a un tercio de la velocidad de la luz. De hecho, estaríamos utilizando la gravedad para darnos un empujón adicional hasta casi la velocidad de la luz. Sobre el papel, esto podría funcionar.
Otros han propuesto que diéramos la vuelta alrededor de nuestro propio Sol y aprovecháramos el latigazo para acelerar hasta casi la velocidad de la luz. Este método se utilizaba, de hecho, en
Star Trek IV: El viaje a casa
, cuando la tripulación del
Enterprise
se montaba en una nave klingon y luego se acercaba al Sol para romper la barrera de la luz y retroceder en el tiempo. En la película
Cuando los mundos chocan
, en donde la Tierra se ve amenazada por una colisión con un asteroide, los científicos crean una montaña rusa gigante para dejar la Tierra. Una nave a reacción desciende por la montaña rusa, ganando gran velocidad, y luego cambia de dirección en la parte baja de la montaña rusa para salir lanzada al espacio.
Sin embargo, ninguno de estos métodos de utilizar la gravedad para impulsarnos al espacio funcionará. (Debido a la conservación de la energía, al descender por la montaña rusa y volver a subir, acabaríamos con la misma velocidad con la que habíamos empezado, de modo que no hay ninguna ganancia en energía. Análogamente, al girar alrededor del Sol estacionario acabaríamos con la misma velocidad con la que habíamos empezado originalmente). La razón por la que podría funcionar el método de Dyson de utilizar dos estrellas de neutrones es que las estrellas de neutrones giran a gran velocidad. Una nave espacial que utiliza el efecto honda gana su energía del movimiento de un planeta o una estrella. Si estos están estacionarios, no hay ningún efecto honda.
Aunque la propuesta de Dyson podría funcionar, hoy no sirve de ayuda a los científicos confinados en la Tierra, porque necesitaríamos una nave estelar simplemente para visitar estrellas de neutrones en rotación.
Otro ingenioso método de lanzar objetos al espacio a velocidades fantásticas es el cañón de raíles, que Arthur C. Clarke y otros autores han presentado en sus relatos de ciencia ficción, y que también está siendo seriamente examinado como parte del escudo contra misiles guerra de las galaxias.
En lugar de utilizar combustible de cohete o pólvora para impulsar un proyectil a alta velocidad, un cañón de raíles utiliza la fuerza del electromagnetismo.
En su forma más simple, un cañón de raíles consiste en dos cables o raíles paralelos, con un proyectil atravesado sobre ambos cables, en una configuración con forma de U. Incluso Michael Faraday sabía que una corriente eléctrica experimentará una fuerza cuando se coloca en un campo magnético. (De hecho, esto es la base de todos los motores eléctricos). Al enviar millones de amperios de corriente eléctrica por estos cables y a través del proyectil, se crea un enorme campo magnético alrededor de los raíles. Entonces este campo magnético impulsa al proyectil a lo largo de los raíles a velocidades enormes.
Los cañones de raíles han disparado con éxito objetos metálicos a velocidades enormes a distancias extremadamente cortas. Es notable que, en teoría, un simple cañón de raíles sería capaz de disparar un proyectil metálico a 30.000 kilómetros por hora, de modo que entraría en órbita en torno a la Tierra. En principio, toda la flota de cohetes de la NASA podría reemplazarse por cañones de raíles que podrían poner cargas en órbita en torno a la Tierra.
El cañón de raíles tiene una ventaja importante sobre los cohetes químicos y los cañones. En un rifle, la velocidad última a la que los gases en expansión pueden empujar a una bala está limitada por la velocidad de las ondas de choque. Aunque Julio Verne utilizó la pólvora para lanzar astronautas a la Luna en su clásico
De la Tierra a la Luna
, es fácil calcular que la velocidad última que se puede alcanzar con pólvora es solo una fracción de la velocidad necesaria para enviar a alguien a la Luna. Los cañones de raíles, sin embargo, no están limitados por la velocidad de las ondas de choque.
Pero hay problemas con el cañón de raíles. Acelera tanto a los objetos que estos se suelen achatar al impactar con el aire. Las cargas se deforman seriamente al ser disparadas por el tubo de un cañón de raíles, porque cuando el proyectil choca con el aire es como si chocara con un muro de ladrillo. Además, la enorme aceleración de la carga a lo largo de los raíles es suficiente para deformarlos. Las vías tienen que ser reemplazadas con regularidad debido al daño causado por el proyectil. A esto se añade que las fuerzas g sobre un astronauta serían suficientes para matarlo, pues aplastarían fácilmente todos los huesos de su cuerpo.
Una propuesta es instalar un cañón de raíles en la Luna. Fuera de la atmósfera de la Tierra, el proyectil de un cañón de raíles podría ser acelerado sin esfuerzo a través del vacío del espacio exterior. Pero incluso entonces, las enormes aceleraciones generadas por un cañón de raíles podrían dañar la carga. Los cañones de raíles son en cierto sentido lo contrario de los veleros solares, que alcanzan su velocidad última de una forma suave durante un largo período de tiempo. Los cañones de raíles están limitados porque concentran mucha energía en un espacio muy pequeño.
Cañones de raíles que puedan disparar objetos a estrellas vecinas serían muy caros. Una propuesta es construir uno en el espacio exterior, que se extendería hasta dos tercios de la distancia de la Tierra al Sol. Almacenaría energía solar procedente del Sol y luego descargaría de golpe dicha energía en el cañón de raíles, que lanzaría una carga de 10 toneladas a un tercio de la velocidad de la luz, con una aceleración de 5.000 g. Solo las cargas robóticas más resistentes podrían sobrevivir a aceleraciones tan enormes.