Repasando antiguos mitos tecnológicos de la Ciencia Ficción, como el viaje en el tiempo o la tele-transportación, me he vuelto a encontrar con un dispositivo no tan imposible como los anteriores: El ascensor espacial. Este consistiría en un cable tendido desde la superficie de la Tierra hacia el espacio, que se mantendría tenso por la fuerza centrífuga y por el que podrían subir una cabina, escalando como si fuera un ascensor, transportando astronautas o material para construir estaciones espaciales, o lanzar misiones a la Luna, Marte y más allá. Para que funcione (al menos en teoría) su centro de gravedad debe de estar situado en la órbita geoestacionaria (GEO por sus siglas en inglés) que está situada a una altura de unos 35.590 km, lo que equivale a un radio de unos 42.164 km respecto del centro de la tierra. En esta órbita, un satélite se mantiene siempre fijo sobre un punto de la Tierra. Estos satélites se utilizan para telecomunicaciones, precisamente por este motivo de estar “fijos” en el cielo cubriendo, por lo tanto, siempre un área determinada. De aquí nace la idea de unirlos con un cable a la superficie de la Tierra. El cable estaría también fijo, y se podría subir y bajar por él en una cabina, como en un ascensor.
La idea del ascensor espacial fue utilizada por el gran mago de la Ciencia Ficción, Arthur C. Clarke (el de 2001, una odisea del espacio) en un relato titulado Las fuentes del Paraíso, de 1978 y en numerosos relatos novelas, juegos y series, como La trilogía: Marte rojo, Marte verde y Marte azul de Kim Stanley, o la temporada 4 de Star Wars: The Clone Wars (la guerra de los clones).
Pero su origen es más académico y más antiguo. La idea original de un ascensor espacial[1], fue concebida en 1895 por el físico ruso Konstantin Tsiolkovsky. El concepto, tal y como se conoce hoy día, se debe al ingeniero ruso Yuri Artsutanov en 1960, dentro de un artículo titulado, en inglés: To the cosmos by electric train (al cosmos en un tren eléctrico), donde reconocía que la resistencia a la tracción necesaria para construir el cable no podía obtenerse con ningún material conocido en aquel momento.
TENSIÓN DEL CABLE DEL ASCENSOR ESPACIAL
En 1960 no había ningún material que pudiera soportar la tensión necesaria para construir el cable del ascensor espacial. Esto se debe a que las fuerzas sobre el cable son extraordinariamente grandes, debido a su gran longitud.
Las fuerzas que entran en juego son:
a) la gravedad que tira del cable hacia abajo y
b) la “fuerza centrífuga” debida a la rotación del cable con la Tierra, que empuja hacia el espacio.
Cerca de la Tierra gana la gravedad, pero en la órbita geoestacionaria se igualan ambas (por eso es una órbita estable) y más lejos la fuerza centrífuga es superior, disminuyendo la contribución de la gravedad.
Podemos calcular la tensión, en función de la distancia al centro de la Tierra (r), según las indicaciones dadas por Ángel Franco en su página:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/celeste/ascensor/ascensor.html
La figura 1 muestra que, como decíamos, esta tensión no es uniforme, sino que aumenta hasta alcanzar la órbita GEO para disminuir después hasta anularse a una distancia de unos 150.000 km (escala superior) que corresponde a unas 24 veces el radio de la Tierra, R (en la escala inferior de distancia reducida). Como la tensión es variable, lo lógico sería construir el cable de sección variable, siendo su diámetro máximo en GEO y haciéndose más delgado en los extremos. Un perfil cónico.
1.- Tensión sobre el cable del ascensor
En la figura, la tensión T está dividida por su máximo valor, alcanzado en GEO. La tensión real depende directamente de la gravedad y de la densidad del material. A más densidad más fuerza de gravedad y más tensión debe soportar. Por eso la cantidad que interesa es la tensión específica o tensión por unidad de densidad. El máximo de T puede ser del orden de 100 Giga-Pascales para una densidad del orden de 1g/cm3, que es la del agua, plástico, etc. 1 Giga Pascal (GPa) equivale a mil millones de Pascales y 1Pascal es 1 Newton de fuerza por metro cuadrado, que es una unidad pequeña. 1 GPa ≈ 100 kg/mm2, es decir que las tensiones que debe de soportar el cable son del orden de 10.000 kg/ mm2, con densidades de 1g/cm3, lo que es una cifra gigantesca y lo será más si la densidad del material es alta. Así el acero tiene densidades de 7.75 a 8 g/cm3 luego tendría que soportar tensiones unas 8 veces superiores.
Las tensiones máximas de algunos materiales son, por ejemplo:
- Acero:1–2 GPa
- Kevlar: 3–4 GPa
- Fibra de carbono: 5–7 GPa
- Nanotubos de carbono: 100–150 GPa
(en condiciones ideales de laboratorio)
Está claro que únicamente los nanotubos de carbono (ver la figura 2), que no se descubrieron hasta 1991 por el físico japonés Sumio Iijima, podría ser razonables para el ascensor, pues todos los demás materiales están muy lejos de cumplir las condiciones necesarias. El problema de los nanotubos de carbono es precisamente su tamaño nanométrico, con diámetros de entre 0,5 y 2 nanómetros (nm). Un nanómetro es una mil-millonésima parte del metro o una millonésima parte de un milímetro, es decir unas 100.000 veces menos que el diámetro de un cabello humano. La longitud de los nanotubos es de unos pocos cientos de nanómetros y su densidad es del orden de 1,6 g/cm3. Ver la figura
2.- Representación de un nanotubo de carbono. Cada bolita en los nodos de los hexágonos representa un átomo de carbono
Así, aunque la resistencia y la densidad serían suficientes para construir el cable del ascensor espacial, sus dimensiones son diminutas y no se ha conseguido unirlos para crear un cable de dimensiones útiles. Por ahora, pues, no podemos hacer el ascensor.
Si tuviéramos el material, el aspecto del ascensor sería el de la figura 3. Estaría anclado en un punto del ecuador y subiría hasta la órbita geoestacionaria, donde podría haber una estación fija, y más alto, para que el cable superior sirva de contrapeso al cable de unión con la tierra. Esta parte superior no necesita llegar hasta los 150.000km, pues se podría reemplazar, en parte, por una gran masa que haga el mismo papel de contrapeso
3.- Aspecto del ascensor (figura generada por ChatGPT)
CONSTRUCCIÓN DEL ASCENSOR ESPACIAL:
El ascensor espacial no se comienzaría a construir desde la Tierra, sino desde la órbita geoestacionaria (GEO) extendiéndose hacia arriba y hacia abajo. Los pasos están representados en la figura 4 y serían los siguientes:
1.- Lanzamiento inicial
Cohetes convencionales llevan a la órbita geoestacionaria (GEO, a 35.786 km de altura) una estación base, maquinaria y bobinas del cable «semilla», muy ligero y resistente, como los nanotubos de carbono.
2.- Despliegue del cable semilla
Desde la estación en GEO se despliega el cable semilla hacia la Tierra (a) y. al mismo tiempo, otro cable hacia el espacio (b). Este último sufre una fuerza centrífuga que es mayor que la gravedad, por lo que sirve de contrapeso.
El cable queda sometido a una gran tensión, máxima cerca de GEO y menor en los extremos. Por eso el diseño ideal es cónico: más grueso cerca de la zona GEO, y más fino en los extremos.
3.- Refuerzo del cable
Vehículos especiales trepan por el cable, transportando material que van añadiendo al cable, hacia arriba y hacia abajo, aumentando progresivamente su masa y resistencia.
4.- El ascensor operativo
Cuando el cable tiene la masa y resistencia necesarias, el ascensor está listo para funcionar. Por él pueden viajar vehículos eléctricos que suben y bajan usando energía solar o paneles fotovoltaicos iluminados por potentes láseres desde la Tierra, transportando personas, materiales y suministros al espacio de forma mucho más económica y segura que con cohetes.
4.- La construcción del ascensor según se describe en el texto (figuras generadas por ChatGPT)
Hay que tener en cuenta que el cable, además de la tensión de su peso, está sometido a condiciones extremas de temperatura , el viento solar (protones de gran energía, pequeños meteoritos, etc., que pueden perjudicar su resistencia. Una rotura del cable haría caer a la Tierra miles de km de cable que producirían estragos. Por ello, el anclaje terrestre debería estar en una zona despoblada del ecuador, probablemente en el océano, sobre un a isla artificial flotante. En todo caso, no es un problema por ahora. El mayor problema es conseguir un material a basa de nanotubos de carbono sin defectos y que pueda servir para utilizar en ascensor. Cuando se consiga, si se consigue, los viajes espaciales podrán resultar baratos (comparados con los actuales) pues el ascensor funcionaría con electricidad en lugar de con cohetes. La electricidad se podría conseguir con paneles solares en la estación situada en GEO, y transportada por el propio cable, o enviada desde la Tierra a la cabina del ascensor, mediante láseres de gran potencia y convertida en electricidad en la misma cabina mediante paneles fotovoltaicos. Si esto se pusiera en marcha, el ascensor podría alcanzar velocidades similares a los coches eléctricos, entre 100 y 200 km/hora. Aún así se tardarían unos 10 días en llegar a la estación de GEO. No es para ir de pie en el ascensor. Pero no creo que lo veamos nosotros, jubilados de una cierta edad. Quizá nuestros nietos.
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