Autopistas planetarias: así se trazan las rutas que toman las misiones espaciales

Cuando la nave Europa Clipper partió de la Tierra el 14 de octubre pasado, comenzó una nueva cuenta atrás. Casi seis años le tomará a la misión de la NASA llegar a su lejano destino: el 11 de abril de 2030 tocará Europa, una de las 95 lunas de Júpiter, un mundo congelado que contiene un enorme océano subterráneo, el cual podría tener condiciones para albergar vida.

No será un viaje lineal ni exento de peligros. De hecho, Europa Clipper –la nave más grande y pesada diseñada por la agencia espacial estadounidense para una misión interplanetaria– no fue lanzada con dirección al gran planeta gaseoso sino a Marte.

“El sistema de lanzamiento usado, el cohete Falcon Heavy de la compañía Space X, no tiene la potencia necesaria para poner a la sonda en una trayectoria directa hacia Júpiter”, cuenta a SINC el ingeniero aeroespacial colombiano Ricardo L. Restrepo, encargado del diseño de las trayectorias de la misión Europa Clipper. “Por eso, es necesario utilizar la gravedad de otros planetas para darle un par de ‘empujes’ extras”.

El ingeniero aeroespacial colombiano Ricardo L. Restrepo es el encargado del diseño de las trayectorias de la misión Europa Clipper. / Gentileza Ricardo L. Restrepo.

Esta estrategia se conoce como asistencia gravitacional o gravitatoria y es una complicada maniobra de navegación espacial en la que una nave vuela lo suficientemente cerca de un planeta para aprovechar su gravedad y salir impulsada. Algo así como una honda o tirachinas gigante: de esta manera, altera su trayectoria y en especial su velocidad, ahorrando combustible.

Un truco de la física para llegar al espacio

El concepto nació en un artículo del matemático ruso Yuri Kondratyuk publicado en 1938 y en los cálculos del ingeniero italiano Gaetano Crocco, del austriaco Guido von Pirquet y del estadounidense Michael Minovitch.

Como recuerda el ingeniero espacial Rodolfo Batista Negri, la primera nave que empleó este truco de la física fue la sonda rusa Luna 3 en 1959. En los 70s, la misión estadounidense Mariner 10 ‘se aprovechó’ de Venus para alterar su trayectoria y encontrarse con Mercurio. En la misma época, la nave Pioneer 10 se acercó a Júpiter, que la ayudó a acelerar y alejarse hacia el espacio profundo. Sin estos empujones gravitacionales, las sondas gemelas Voyager 1 y 2 no hubieran podido escapar de la gravedad del Sol y abandonar el sistema solar.

Desde entonces, se han utilizado ayudas gravitacionales para llegar a todos los rincones de nuestro vecindario planetario. Estas maniobras –que alguna vez el director de la misión Galileo, Bill O’Neil, comparó con “un juego de billar planetario con múltiples bandas”– se ha vuelto un procedimiento estándar, encuentros ineludibles en las autopistas interplanetarias.

“La trayectoria de Europa Clipper incluye una asistencia gravitacional con Marte”, explica Restrepo, investigador del Jet Propulsion Laboratory de la NASA. “Después de sobrevolar el planeta rojo, la nave regresará a las vecindades de la Tierra, pero con más energía con la que fue lanzada y usará a nuestro planeta para un gran empuje final”.

Rumbo a lo desconocido

A pesar de lo que muestran las series y películas de ciencia ficción, la mejor manera de llegar a un destino en el espacio no siempre es viajar en línea recta. Hacerlo requeriría cohetes monstruosos y grandes cantidades de combustible. Por ejemplo, para recorrer los 800 millones de kilómetros que separan a Júpiter de la Tierra se necesitarían 60 000 kg de combustible a bordo. Y un tanto más, para frenar la nave.

Ahí entran en escena las asistencias gravitatorias. La trayectoria o ruta que tomar varía de proyecto en proyecto. Depende del tamaño de la nave, de su carga y combustible, de los objetivos científicos. Antes y durante una misión, un equipo de físicos e ingenieros calcula la ruta, traza cuidadosamente el curso a tomar, teniendo en cuenta que los planetas, lunas y asteroides están en permanente movimiento y que sus fuerzas gravitacionales son distintas.

Las agencias espaciales emplean diversas herramientas para elegir el camino más eficiente hacia su destino. Desde 2006, la NASA emplea un software llamado Copernicus. Desarrollado por la Universidad de Texas y Centro Espacial Johnson (JSC), permite la optimización de trayectorias de naves espaciales. Otro programa similar es el Evolutionary Mission Trajectory Generator, ideado por Jacob Englander, un tecnólogo del Centro de Vuelos Espaciales Goddard: ayuda a dirigir eficientemente una nave espacial a destinos interplanetarios difíciles de alcanzar, como Mercurio, Júpiter, Saturno y la mayoría de los cometas y asteroides.

Tras ingresar el punto de origen de la nave espacial, su destino final y las fechas posibles de lanzamiento, el sistema detalla el número de sobrevuelos alrededor de distintos cuerpos celestes para alterar la trayectoria o la velocidad. La Agencia Espacial Europea (ESA), en cambio, emplea un software de código abierto conocido como Space Trajectory Analysis o STA.

Próximos pasos

Las asistencias gravitatorias sirven para acelerar una nave, pero también en ciertas ocasiones para frenarlas o para alterar su rumbo. La sonda europea y japonesa Bepi Colombo fue lanzada en octubre de 2018. Primero sobrevoló la Tierra en abril de 2020. Le siguió Venus el 15 de octubre de 2020 y luego Mercurio en 2021, 2022, 2023 y el 4 de septiembre de este año. Lo hará nuevamente en diciembre y el 8 de enero de 2025, para finalmente insertarse en órbita del primer planeta del sistema solar el 5 de diciembre de 2025.

Trayectorias de las naves espaciales Jupiter Icy Moons Explorer de la ESA (JUICE, línea roja) y del Europa Clipper de la NASA (línea azul) a lo largo de sus respectivas misiones en la década de 2030. / ESA.

En el caso de la sonda Europa Clipper, el trabajo de los diseñadores de trayectorias no termina una vez que se acerque al gigante gaseoso. “Cuando la nave llegue a Júpiter en 2030, usaremos la asistencia gravitacional de las lunas principales de este planeta, las lunas galileanas, para reducir el tamaño de la órbita inicial alrededor de Júpiter”, señala Restrepo. “Si bien el objetivo es estudiar Europa, no la orbitaremos porque esta luna helada se encuentra sumergida en un gran campo de radiación que es perjudicial para la electrónica de la nave”.

Europa Clipper, más bien, permanecerá en una órbita elíptica alrededor del planeta más grande del sistema solar. Durante tres años, se acercará periódicamente a Europa para recoger datos. Serán 49 sobrevuelos programados. Hasta que un día, ya sin combustible, la sonda cambiará de curso: en septiembre de 2034, se dirigirá a Ganímedes y se estrellará contra su superficie.

Equilibristas espaciales

Si bien las rutas a tomar están programadas, las naves espaciales son controladas y guiadas mediante señales de radio que se envían desde la Tierra. Para ello, los científicos de la NASA usan las antenas de la Red de Espacio Profundo, ubicadas en Madrid (España), Canberra (Australia) y Pasadena (Estados Unidos). Mientras que los de la ESA –que tienen su centro de control en Darmstadt, Alemania– se valen de la red global de antenas instaladas en Malargüe (Argentina), Cebreros (España) y New Norcia (Australia).

Allí, por ejemplo, reciben las señales enviadas por la nave Hera. Lanzada el 7 de octubre de este año, se acercará al sistema binario de asteroides Didymos el 28 de diciembre de 2026. Para ello, primero deberá tomar impulso con la ayuda de Marte en marzo de 2025. “Tenemos mucha suerte de que este planeta esté en el lugar y momento correcto para echar una mano a Hera”, cuenta el ingeniero español Pablo Muñoz, del equipo de Análisis de Misiones de la ESA, quien planificó el viaje de Hera. “Esto nos permitió diseñar una trayectoria que utiliza la gravedad de Marte para acelerar a Hera hacia Didymos, ofreciendo un ahorro sustancial de combustible a la misión y permitiendo que llegue a los asteroides meses antes”.

Otro robot explorador actualmente en órbita es el Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE). Aunque partió de la Tierra antes que la sonda Europa Clipper, esta nave de la ESA que fue lanzada en abril de 2023 llegará a Júpiter en julio de 2031, un año después que la misión de la NASA.

Esto se debe a la compleja ruta en constante evolución que ha sido cuidadosamente planificada por el equipo de análisis de la misión durante las últimos dos décadas: después de tomar impulso con la ayuda de la gravedad de la Luna y la Tierra en agosto de este año, en este momento se dirige rumbo a Venus. JUICE lo sobrevolará en agosto de 2025 y, posteriormente, volverá a pasar por nuestro planeta en septiembre de 2026 y enero de 2029. Estos acercamientos le servirán de trampolín para emprender rumbo hacia Júpiter y sus tres lunas heladas, Ganímedes, Calisto y Europa. Las estudiará hasta 2035.

Cada maniobra de navegación es un acto de equilibrio. “En la exploración espacial, uno tiene la sensación de estar caminando por el borde de una montaña”, advierte el ingeniero italiano Giuseppe Sarri, exdirector del proyecto JUICE. “Un paso a la izquierda es una gloria absoluta. Un paso a la derecha es un desastre absoluto. La diferencia entre una y otro no es tan grande. No siempre se sabe cómo irá todo. Y eso es lo que hace que las cosas sean interesantes, emocionantes y satisfactorias”.