Física y sociedad18 Revista del Colegio Oficial de Físicos

Carlos Herranz Dorremocheareportaje

El 99 % de la masa de la atmósferade nuestro planeta se extiendeentre el suelo y unos 30 km de altu-ra. Los fenómenos meteorológicos,incluyendo el color azul del cielo,suceden ahí. De hecho, la mitad detodo el aire está situado tan sólopor debajo de los primeros 6 km,donde también se aloja la prácticatotalidad de la vida. Más arriba, lascondiciones raramente están encalma. La atmósfera está achatadadebido a su rotación, y no terminaabruptamente, sino que se diluyede manera exponencial con la altu-ra. Además, se hincha y se deshin-cha debido al calentamiento diarioy estacional, a los «tirones» gravi-tatorios del Sol y la Luna y a lasvariaciones cíclicas en la radiaciónsolar, por lo que resulta problemá-

tico establecer de modo inequívo-co dónde empieza propiamente elespacio. El límite es tan difuso quea pocos cientos de kilómetros dealtura se habla tanto de la atmós-fera externa como del espacio cer-cano.

El camino al espacio

Aunque no está tan lejos, la dificul-tad en ir al espacio reside en que ladistancia hasta él es en vertical, loque implica un enorme gasto deenergía para vencer el peso y pro-porcionar avance. Para ello no pue-de usarse el vuelo sustentado en elaire, pues por encima de 20 kmempieza a ser difícilmente posiblepor su escasez. Algunos globos,rellenos de gases muy ligeros, pue-

den ascender más, por flotación,hasta los 40 km. Pero más arribalas leyes físicas que dominan elmovimiento de un objeto empie-zan a ser únicamente las de laastrodinámica.

La forma más directa de enviar algoal espacio es una trayectoria ascen-dente para salir rápidamente de labaja atmósfera (eso sí, con una velo-cidad de varios kilómetros porsegundo). Después, el rozamientodel aire es tan tenue que se puedeinterrumpir el empuje y seguirsubiendo por inercia, mientras se escontinuamente frenado por laatracción terrestre, que acaba pordetener el movimiento de ascen-sión y precipitar la caída, describién-dose un inmenso arco balístico.

El espacio exterior representa ese nuevo horizonte al que nos asomamos en nuestra épocabuscando ensanchar nuestras fronteras. Pero la mayoría no podemos viajar hasta él y nues-tra experiencia de toda la vida no nos sirve para entender este nuevo ambiente, en el que laintuición nos engaña. Así, no es de extrañar que asumamos fácilmente la imagen deformadaque sobre el espacio nos transmite a menudo el cine fantástico.

IR AL ESPACIO UNA INTRODUCCIÓN A LA ASTRONÁUTICA

La exploración del espacio ya había comenzado diez años antes delanzarse el Sputnik

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Después sobreviene el reingresoen la atmósfera, también con unfrenado progresivo, pero esta vezdebido al rozamiento con el aire,que es cada vez más denso, alcontrario que en la subida. Si elobjeto lanzado no está prepara-do con una forma aerodinámicay un recubrimiento resistentepuede destruirse debido al calorque se genera.

Desde mediados de los años cua-renta la tecnología de cohetes hizofactibles estas incursiones en elespacio. Por ello, la exploración desus características y de sus efectossobre los seres vivos ya habíacomenzado más de diez añosantes del lanzamiento del primersatélite artificial. Este método seusa aún para llevar al espacio algu-nos instrumentos o experimentosautomáticos, por ser mucho másbarato y rápido de preparar, ade-más de resultar imprescindiblepara realizar medidas in situ entrela altura máxima alcanzable conglobos y la altura mínima posiblepara un satélite. A cambio, el tiem-po de permanencia en el espacio esbreve, de unos 10 ó 20 minutos.

Las órbitas

En el espacio no se puede per-manecer sin más, no hay unasuperficie en la que estar. Inme-diatamente se empieza a caer,igual que en la Tierra si perde-mos el apoyo. La fuerza de atrac-ción ha disminuido, aunque notanto como pueda creerse (de9,8 m/s2 a nivel del mar a 9,2m/s2 a 200 km de altura). Así quela única manera de poderse que-dar allí es no dejar de moverse,aunque de un modo particular.

Si prescindimos del rozamiento

del aire y nos dedicamos a tirarpiedras desde una montaña, alsoltarlas caerán en vertical al sue-lo. Si las tiramos horizontalmentedescribirán una trayectoria des-cendente, recorriendo una deter-minada distancia, en función denuestro impulso. Pero si fuéramoscapaces de lanzar piedras a milesde kilómetros, como la Tierra esesférica, conforme las piedras des-cendieran también la superficiese iría curvando apreciablementepor debajo y las piedras tardaríanaún más en dar contra el suelo.

Llegaría un momento en que darí-amos a una de ellas una velocidadtal que su ritmo de caída seríaigual al ritmo de curvatura de lasuperficie. Esa piedra, en realidad,nunca llegaría a «caer», sino quese mantendría siempre a la mismaaltura con respecto al suelo, y conla misma velocidad que le dimos allanzarla. Al cabo de una hora yveintitantos minutos volvería aaparecer por detrás nuestra, com-pletaría una vuelta y continuaríaasí indefinidamente, si nada leestorbara en su camino. Diríamosque nuestra piedra se encuentra«en órbita» circular y que se haconvertido en un «satélite» denuestro planeta.

Por supuesto, esto no es posible aalturas relativamente pequeñas,pues las velocidades necesariasresultan ser de casi 8 km/s (unos28.800 km/h) y la atmósfera frena-ría la piedra y la destruiría porcalentamiento. Por eso no seponen satélites por debajo de unos150 km de altitud, y aun en ese casoson fuertemente frenados y forza-dos a ir perdiendo altura en cues-tión de días, describiendo una órbi-ta espiral hasta que vuelven aentrar en la atmósfera baja.

Dado que no hay montañas tanaltas, para poner un satélite de ver-dad normalmente se despega envertical y se va curvando la trayec-toria hasta ponerla horizontal a laaltura buscada. Entonces se da elúltimo impulso necesario para lapuesta en órbita, tras lo cual elmovimiento se mantiene solo.Afortunadamente, un satélite yatiene ganada una velocidad nadadespreciable debido a la propiarotación de nuestro planeta, hastaunos 0,5 km/s si es desde el ecua-dor. Por ello la mayoría de los saté-lites «circulan» de oeste a este.

Una órbita circular implica un mar-gen de error muy pequeño, demodo que si la velocidad alcanzadaes menor que la requerida, la tra-yectoria se queda en un largo vuelo

La única manera de poderse quedar en elespacio es no dejar de moverse

¬ Lanzamiento del cohete balístico Maxus 4desde el norte de Suecia en 2001. La carga útilse recuperará en paracaidas a 80 km de labase. ESA/ESRANGE/Lars Thulin

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balístico. Pero si es mayor, lo que sepuede obtener son distintas órbitasde forma elíptica que pasan por elmismo punto, una característicapara cada velocidad. Las órbitaselípticas tienen una zona de mayoracercamiento a la Tierra (llamada elperigeo) y otra de mayor alejamien-to (el apogeo) donde el satélite vamás lento. Cuanto mayor es la velo-cidad inicial tanto más alargada esla elipse que resulta, hasta unos 11km/s, en que la órbita es tan alarga-

da que el objeto ya no se convierteen un satélite terrestre, sino queescapa de la Tierra y acaba comosatélite del Sol. A partir de unos 17km/s ni siquiera el Sol logra retener-lo, y el objeto es capaz de escaparsin retorno.

Existe un órbita circular particular-mente interesante allí donde unsatélite tarda en dar una vuelta lomismo que tarda la propia Tierra,es decir, un día. De este modo, vistodesde la Tierra, es como si el satéli-te estuviera quieto en el cielo, y porello recibe el nombre de «órbitageoestacionaria». Esto sucede aunos 36.000 km de altura, y tieneimportantes aplicaciones parasatélites que necesitan estar siem-pre sobre el mismo lado de la Tie-rra, como algunos meteorológicos

o de telecomunicaciones. Gracias aesta órbita podemos fijar nuestrasantenas parabólicas en las facha-das y tejados sin miedo a perder laseñal de televisión, a pesar de queel satélite no cesa de moverse aunos 3 km/s.

El medio espacial

El espacio es un lugar inhóspito y defuertes contrastes, lo que dificultasu habitabilidad. En primer lugar, seencuentra prácticamente vacío, porlo que es necesario permanecer abordo de naves, estaciones o trajesde astronauta, donde se mantieneun ambiente artificial presurizado yrespirable. La inexistencia de airefacilita que entre metales puestosen contacto se establezcan enlacesmoleculares, ocasionando soldadu-ras espontáneas que pueden blo-quear los mecanismos. Los lubri-cantes no ayudan, pues en vacío

terminan por sublimarse y desapa-recer. Otra consecuencia del vacíoes que el sonido no se transmitepor el espacio.

Desprovistos del resguardo de laatmósfera, se está tambiénexpuesto a los rayos ultravioletay a otras radiaciones de origencósmico perjudiciales paramáquinas y seres vivos, como elviento solar, que se pone demanifiesto cuando impacta con-tra los átomos de la alta atmós-fera. Estos se calientan y brillanpor el exceso de energía ganado,«pintando» y haciendo visible elespacio con colores característi-cos de los distintos elementos.

Por el espacio circulan además agran velocidad una infinidad de

meteoroides, que originan boni-tas estrellas fugaces al chocarcon la atmósfera, pero que cau-san desgaste y daños en venta-nillas, paneles e instrumentosde los vehículos espacialesexpuestos mucho tiempo a laintemperie espacial.

El Sol sale con rapidez si se estáen órbita, una vez por cada vuel-ta a la Tierra, y se pone otras tan-tas veces. Su luz directa esmucho más cegadora, y al nodifundirse apenas por elambiente, las sombras puedenser realmente intensas, sólomitigadas por la luz devueltadesde la Tierra. Por eso, filtros ylinternas son necesarios porigual. Dado que tampoco el calorpuede distribuirse por el espaciomediante convección o conduc-ción, en el lado iluminado de unobjeto la temperatura se hace

muy elevada por la radiacióndesde el Sol, mientras que en ellado en sombra desciende atemperaturas gélidas. Se suelealternar la orientación de lasnaves para no someterlas decontinuo a ninguno de los dosextremos.

Existe, de todos modos, suficientegas como para comprometer porel rozamiento la vida de los satéli-tes cuyas órbitas (o parte de ellas)estén a menos de unos 1.000 km.El proceso es inexorable, aunquehagan falta muchos años paraello. A distancias de unos 500 kmya sucede en cuestión de pocosaños, dependiendo del tamaño,forma y masa del satélite. Porregla general, a unos 600 km dealtura se pierde un metro por

¬ Aurora sobre Canadá captada desde la Esta-ción Espacial Internacional. En ocasiones losastronautas pasan a su través. NASA

La Estación Espacial Internacionalrequiere un frecuente y costoso ajuste orbital para no caer

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cada vuelta al planeta, a unos 400km se desciende una docena demetros y a unos 200 km ya sepierde una centena de metros porórbita. Cualquier base tripuladaen el espacio cercano, como laEstación Espacial Internacional,requiere por tanto un frecuente–y costoso– ajuste de su órbitapara no caer con el tiempo.

La microgravedad

En el espacio las nociones de «arri-ba» y «abajo» se desvanecen y seconvierten en un asunto de puraconvención. Sin embargo, esto noes una característica inherente almedio ambiente espacial sino unaconsecuencia de un estado demovimiento. La ingravidez seexperimenta también en cual-quier situación de elevación concaída libre, cuando la inercia de laascensión compensa el pesodurante unos minutos o momen-tos, como en vuelos balísticos oparabólicos, vuelos con turbulen-cias, badenes de la carretera,ascensores o atracciones de feria.

En una órbita esta falta de pesose experimenta indefinidamen-te, pues la atracción gravitatoria

se encuentra continuamenteequilibrada por la fuerza centrí-fuga de la rotación en torno a laTierra. Como en realidad existenminúsculas aceleraciones debi-das a la excentricidad de la órbi-ta, al rozamiento externo, a lasmaniobras del vehículo y a vibra-ciones originadas por aparatos opor las personas, se prefieredenominar a este fenómenocomo «microgravedad».

En cualquier caso, en el espacio lagravedad no desaparece sino que,al estar en órbita, sus efectos secompensan, y dado que todo loque ocurre en la Tierra se encuen-tra sometido a la influencia de lagravedad, ello resulta de gran inte-rés para facilitar la observación defenómenos más sutiles que seenmascaran o se entorpecen porla acción de esta fuerza. En condi-ciones de microgravedad se consi-gue mucha más eficacia en losprocesos de cristalización, mezclao separación de compuestos, tan-to orgánicos como inorgánicos,razón por la que los laboratoriosespaciales son de gran utilidadpara la investigación biológica,médica y de materiales, y –aunquetodavía no a escala productiva–

también en metalurgia, farmacia yelectrónica.

Al lado de estas ventajas, la ausen-cia de peso es, junto a la irradia-ción, la principal dificultad para lapermanencia prolongada de per-sonas en el espacio. Los procesosimprescindibles para el desarrollode la vida, como la respiración, ladigestión y eliminación de resi-duos, la circulación interna de flui-dos, etc., son perfectamente posi-bles en órbita y el organismo sereajusta a la nueva situación trasalgunos trastornos iniciales. Losmayores problemas consisten endesorientación, mareos y una pro-gresiva descalcificación de los hue-sos y pérdida de masa muscular,como consecuencia de su pocautilización. Se produce tambiénuna redistribución de los líquidos,que tienden a acumularse en laparte alta del organismo, causan-do hinchazón en la cara, conges-tión y dolores de cabeza. Se modi-fican incluso ligeramente la esta-tura, el timbre de voz, o el gusto yel olfato. Pero con dieta y régimende ejercicio adecuados una perso-na puede mantenerse con saluden el espacio durante muchosmeses. Afortunadamente, todoello parece resultar reversible alregreso a la Tierra, tras un periodode recuperación proporcional altranscurrido en el espacio.

Carlos Herranz es físico y responsa-ble del Área de Comunicación delCOFIS.

¬ Bola de agua ingrávida ante el astronauta Leroy Chiao, en la 10ª expedición a la Estación Espacial Internacional. NASA

Las nociones de«arriba» y «abajo»se convierten en un asunto depura convención

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