Gravedad artificial

Suena El Danubio azul en medio de la tranquilidad del espacio. Un transbordador blanco se aproxima a una estación orbital con forma de rueda que gira. Es una escena emblemática de la película 2001, una odisea del espacio. Aparte de la belleza de las imágenes, la razón de este giro es generar algo importante para los habitantes de la estación: gravedad artificial.

Newton descubrió que dos masas cualesquiera se atraen con una fuerza inversamente proporcional a la distancia que les separa, es su famosa Ley de la Gravitación Universal. Su aplicación concreta da como resultado que todo cuerpo situado sobre la superficie terrestre está sometido a una aceleración de 9,8 m/s² (g) que se denomina aceleración de la gravedad. Este valor va disminuyendo a medida que nos alejamos de la Tierra hasta hacerse despreciable a efectos de cálculo. Nos encontramos en condiciones de microgravedad.

Aceleración:

Generar gravedad artificial no es tan complicado como pudiera suponerse. Cualquier cuerpo sometido a aceleración sufre los mismos efectos que si estuviera dentro de un campo gravitatorio con una aceleración equivalente. Por ejemplo, dentro de un coche, al acelerar, una fuerza nos empuja contra el asiento.

En un hipotético viaje espacial, bastaría con mantener una aceleración constante durante la primera parte del trayecto y decelerar con el mismo valor absoluto en la segunda mitad.

Lamentablemente, los sistemas de propulsión convencionales, basados en el principio de acción y reacción tienen una limitación fundamental, y ésta es su necesidad de combustible para acelerar la masa que se expele como propulsor. Si el vuelo es suficientemente largo, obtendremos que una vez gastado el combustible asignado para la aceleración, la astronave debería mantener una trayectoria inercial hasta que diese comienzo la fase de deceleración. Volvemos al punto de partida, ya que durante el periodo inercial de la travesía nos encontraríamos en condiciones de microgravedad.

En viajes no excesivamente largos se podría ganar autonomía mejorando la eficiencia de los propulsores (imaginemos motores atómicos e incluso propulsores de antimateria). También se podría reducir las exigencias de confort conformándonos con una aceleración menor. Por ejemplo, en 2061 la Universe es capaz de realizar el trayecto Tierra-Júpiter a una aceleración constante de 0,1 g gracias a su planta de fusión catalizada por muones.

Los más idealistas sueñan con la posibilidad de liberarnos de la tiranía de tener que acarrear el combustible. Es el caso de las estatocolectoras, naves espaciales que mediante dragas magnéticas recogen el hidrógeno interestelar para alimentar una reacción de fusión autosostenida que puede acelerar e impulsar la nave casi indefinidamente.

En cualquier caso, su diseño, aparte de exceder las capacidades humanas actuales, tampoco es aplicable a bases orbitales|estructuras estacionarias situadas en órbita.

Rotación:

Para solucionar el problema de estos hábitats en ingravidez, una solución que gusta por su sencillez es la de diseñarlas con un sistema de rotación que genere una aceleración centrífuga a imitación de la gravedad. El coste energético de la rotación es mínimo, pues una vez iniciado el giro, al no existir rozamiento, el movimiento debería mantenerse casi eternamente. Además, modificando el radio y la velocidad angular obtendremos los valores de pseudogravedad que más nos convengan.

Pero la rotación no está exenta de inconvenientes. Paradójicamente, las fuerzas estructurales que debe soportar una estructura rotacional en su cara más exterior son bastante elevadas.

También deben ser tenidos en cuenta los problemas de vibraciones, que fueron los que desestimaron, ya en la fase de diseño, que la Estación Espacial Internacional girase.

Asimismo, existe el inconveniente de la transmisión del giro interno del anillo a la estructura externa que lo sustenta. La rotación residual transmitida a la misma a través del rozamiento del anillo tenderá a hacerla girar en sentido contrario a la rotación del carrusel. Esta es la situación que Arthur C. Clarke describe en 2010, odisea dos, cuando tras nueve años de abandono la Discovery ha empezado a rotar inducida por el giro del módulo de comando.

Existen otros factores a tener en cuenta, como las fuerzas de Coriolis y, sobre todo, el de la gravedad diferencial. Si el radio de giro no es suficientemente grande, podemos encontrarnos con un elevando gradiente de aceleración que irá desde el eje (en condiciones de microgravedad) hasta la cara exterior, donde será máxima.

La NASA, entre los estudios que se han realizado para un posible viaje a Marte, ha planteado una solución ingeniosa para estas cuestiones. Al alcanzar la parte inercial de la trayectoria, la nave se divide en dos módulos separados por un cable y se imprime una rotación angular al sistema para dotar al módulo habitado de una gravedad centrífuga. Su valor puede ajustarse mediante la velocidad de rotación (limitada por la resistencia del cable) y se minimizan los efectos de la gravedad diferencial al poder aumentar enormemente el radio de giro con sólo aumentar la longitud del cable.

Estas soluciones funcionan teóricamente, siempre que la nave se desplace en línea recta o la estación mantenga su trayectoria circular. Son dos situaciones de equilibrio de fuerzas que se rompen inmediatamente cuando introducimos modificaciones en la trayectoria. Es pues, de la necesidad de maniobrabilidad de donde surgen los mayores problemas cuando hablamos de desplazarnos a altas velocidades. Todo giro someterá a los cosmonautas a una nueva fuerza centrífuga que será mayor cuanta mayor sea la velocidad a la que se realice la maniobra.

En el hombre, el umbral de conciencia se sitúa en torno a las 10 u 11 g y poco más allá sobreviene la muerte. Un simple avión atmosférico que realice un giro cerrado de apenas unos cuantos centenares de metros a 900 Km/h puede alcanzar fácilmente el umbral de tolerancia orgánica a la aceleración.

Ciencia ficción:

Indudablemente, este terco comportamiento de inercia de las masas es una característica muy molesta, por lo que en muchas novelas de ciencia ficción, especialmente dentro del subgénero de la Space Opera suelen utilizar una serie de artificios más o menos elaborados que evitan oportunamente este tipo de inconvenientes.

El primero de todos es, sin duda, el ignorar directamente los efectos de la gravedad en el desarrollo de la acción. Para quienes buscan dotar de mayor justificación a su trama, campos de compensación, generadores gravitatorios e incluso antigravedad son recursos frecuentes para domesticar a esta eterna compañera cuyos efectos hemos comentando.