La gravedad es una costumbre difícil de olvidar.
Dioses menores, de Terry Pratchett (1948-2015)
En los principios de la era espacial, en uno de esos círculos escogidos donde se concentra el talento de la humanidad, surgió una pregunta de gran calado y trascendencia: ¿es posible hacer pis en el espacio? En mitad de elaboradas disertaciones apoyadas en croquis de sistemas urinarios, reacciones virulentas aferradas a fórmulas aceptadas por consenso científico y ensoñaciones especulativas sobre los efectos en la uretra de gotitas perfectamente esféricas, uno de ellos se bajó los pantalones, hizo el pino y, en dicha posición, logró que brotara un alegre chorro de orina de su entrepierna. La física empírica es así de demoledora: quedó demostrado de manera impepinable que no necesitamos la ayuda de la gravedad para aliviar la vejiga1.
Estamos tan acostumbrados a que la atracción gravitatoria nos condicione en tantos aspectos de nuestra vida cotidiana que damos por hecho que no seríamos capaces de hacer ciertas cosas si su valor fuera imperceptible. Ya sea porque por desgracia son pocas las ocasiones en las que se puede zanjar una discusión científica abriendo la bragueta o porque la humanidad está condenada a viajar por el espacio tarde o temprano si no quiere sucumbir como especie, parece razonable tener un lugar adecuado donde realizar experimentos donde no se aprecie la gravedad terrestre.
Construir una instalación científica polivalente para una media docena de personas no es un proyecto demasiado ambicioso. Por otra parte, llevar un kilo de material al espacio es un hito de la tecnología humana. Un sistema de climatización en un edificio es una práctica común sin ningún secreto. En cambio, mantener en un recinto la temperatura y la calidad del aire dentro de unos parámetros agradables cuando el calor y el frío en el ambiente no se transmiten como en superficie y cuando en el exterior del mismo no hay apenas oxígeno y las temperaturas son extremas en positivo y en negativo, exige exprimir bien el coco. Etcétera. Está clara la problemática: la complejidad de poner en marcha un laboratorio en el espacio reside en que, obviamente, tiene que estar, ser explotado y mantenido en el espacio. Desde los años setenta del siglo pasado, las administraciones espaciales más potentes del mundo han puesto en órbita diferentes ingenios con este fin, pero se lleva la palma por envergadura, duración y ambición, la Estación Espacial Internacional (ISS, en sus siglas en inglés).
La Estación Espacial Internacional
En la actualidad, la ISS en órbita pesa unas 420 toneladas, encierra un volumen de aire presurizado de unos 1200 m3 y mide, en su dimensión máxima, lo que todos suponíamos: más o menos lo mismo que un campo de fútbol. Se encuentra a unos 410 km de altura respecto a la superficie terrestre y se desplaza a unos 28000 kilómetros por hora, lo que se traduce en que da más de 15 vueltas al mundo al día (más o menos, una cada 90 minutos). Vamos a entrar en detalle con el ánimo lúdico de siempre, pero como dijo el equipo de diseño y montaje de la ISS, vayamos por partes (esto era un spoiler).
Estaremos todos de acuerdo en que 420 toneladas son 420 000 kilogramos. Como esbozamos cuando hablamos sobre la posibilidad de edificar en la Luna o en Marte, llevar un kilo de carga al espacio cuesta, dependiendo de diversos factores, entre 50 000 y 100 000 dólares. Haciendo un número rápido podemos estimar que subir todos los elementos de la ISS que están en órbita rondará los 42 000 millones de dólares. Es dinero. Pero teniendo en cuenta que el mantenimiento anual cuesta alrededor de 3000 millones de dólares y otras circunstancias más, como que se ha subido bastante carga que ya no está en órbita, como personas (la han visitado más de 260 astronautas de 20 países distintos), alimentos o consumibles, realmente el presupuesto global de la misión asciende a unos 150 000 millones de dólares; es decir, casi cuarenta veces más que el edificio más caro del mundo, el One World Trade Center, en Nueva York. Cifras tremendas. Con razón se suele decir que es la construcción más cara de la historia de la humanidad. Ni la Gran Pirámide de Guiza ni la Gran Muralla China; por cierto, si bien esta última no la ven los astronautas desde el espacio a diferencia de lo que dice la leyenda, la ISS sí se puede observar desde la Tierra a simple vista. Dos a cero para la ISS. No obstante, a pesar de que es un montón de dinero formidable, en realidad, para cada europeo, ha supuesto una inversión de más o menos un euro al año durante todo el proyecto.
Pero hay un pequeño problema: no existe máquina en el mundo que sea capaz de elevar de una sola vez 420 toneladas a 410 kilómetros de altura. Por ejemplo, los transbordadores espaciales llevaban a la ISS hasta unas 20 toneladas por viaje; o el gran cohete Saturno V utilizado en los programas Apolo podría haber puesto en la órbita de la ISS unas 110 toneladas. Apenas una cuarta parte del total. Es decir, con la tecnología actual de motores cohete no es factible. Estos motores se basan en la tercera ley de Newton, que tradicionalmente se ilustra con el ejemplo del patinador sobre hielo que, al lanzar hacia delante un balón medicinal, experimenta un desplazamiento en sentido contrario al mismo. Los cohetes utilizan la combustión de sustancias líquidas o sólidas para conseguir desplazarse: los gases calientes que salen por las toberas son el balón medicinal y el cohete es el patinador. Cuanta más carga se quiera desplazar y/o más largo sea el viaje, más empuje se necesitará en el despegue, lo que implica más combustible para quemar que se traduce en más peso: la pescadilla que se muerde la cola2. Es tan importante reducir al máximo el peso que el tanque externo de los transbordadores espaciales dejó de pintarse de blanco para ahorrarse los más de 250 kg que añadía la pintura a la carga de despegue, de ahí su insólito y llamativo color anaranjado de la imprimación. Como sospecharán, se necesita mucho combustible para conseguir alcanzar las velocidades necesarias para, en nuestro caso, que el cohete alcance la altura de la órbita de la ISS: en torno a unas 500 toneladas de combustible sólido para despegar. Eso sí, los aviones comerciales consumen en torno a 1200 litros de combustible cada 100 kilómetros, por lo que tampoco es una cantidad escandalosa.
Si Mahoma no va a la montaña de una pieza, Mahoma irá a la montaña en porciones: ante la imposibilidad de enviar toda la estación de una vez, se planificó el montaje de la ISS por partes y en órbita. En total se han realizado más de 40 viajes para llevar piezas para ensamblarla. La imagen clásica de la estación espacial es un conjunto de cilindros y conos atravesados por placas solares. Los módulos sirven para distintos propósitos: laboratorio, instalaciones o estancias para los astronautas. Evidentemente, donde vaya a haber humanos sin traje espacial los equipos permiten tener una atmósfera con una presión como la que hay a nivel del mar, con una agradable temperatura de unos 23º y con un contenido de oxígeno compatible con la vida.
El primer módulo (Zarya) fue lanzado el 20 de noviembre de 1998, los primeros humanos a la ISS llegaron año y medio (y varios elementos) más tarde, mientras que el último módulo hasta el momento (Nauka), se acopló a la ISS a finales de julio de 2021. Si bien la primera misión con astronautas tardó más de dos días en acoplarse correctamente, el tiempo medio de los viajes (entre el despegue y el acoplamiento) es de unas seis horas, estando el récord en poco más de tres. Realmente, los cohetes tardan menos de diez minutos en alcanzar la altura de la órbita, pero después hay que realizar varias maniobras para poder realizar el acoplamiento con seguridad: una colisión podría ser fatal.
¿Por qué esa altura y no otra? Principalmente, para evitar que los lanzamientos desde el Cosmódromo de Baikonur tuvieran que sobrevolar China (no participa en la ISS) o para reducir el riesgo de caída de etapas de cohetes en zonas habitadas. Por otro lado, si estuviera a menor altura tendría que girar a más velocidad para mantenerse en órbita y habría que corregir constantemente la trayectoria debido al mayor rozamiento del aire por haber más densidad de este. En cambio, si estuviera a mayor altitud, además de que los viajes serían más largos y algo más caros, la radiación que recibiría la estación se incrementaría, con riesgo para los equipos electrónicos y sus habitantes: en la órbita actual, se ha calculado que cada día un astronauta en la ISS recibe la dosis media de radiación natural anual en tierra firme, lo que se traduce en que se incrementa el riesgo de cáncer en torno a un 3 % respecto a la población en superficie. Fue de gran ayuda en este sentido un experimento (de los más de 3000 que se han llevado a cabo a bordo) que se realizó con los hermanos Kelly: Scott estuvo un año en la estación mientras que su gemelo idéntico Mark hacía vida normal en la Tierra3. A la vuelta, detectaron en Scott secuelas permanentes respecto a Mark en cuanto a cognición y modificaciones genéticas. Además, Scott volvió siendo cinco centímetros más alto que su hermano, aunque con el tiempo recuperó su estatura normal.
La ISS se encuentra en la termosfera4, una capa de la atmósfera donde el aire es muy tenue pero suficiente, junto con partículas de polvo, como para frenar la estación. Y si se frena lo suficiente, acabaría cayendo a la Tierra. Para visualizar el comportamiento de la estación en órbita imaginemos que atamos una piedra con una cuerda y la hacemos girar como una honda: a cierta velocidad, se tensa la cuerda y la piedra gira trazando circunferencias; si reducimos la velocidad, se destensa la cuerda, la piedra deja de girar y cae; y si nos volvemos locos y la hacemos girar con todas nuestras fuerzas, se acabaría rompiendo o desatándose la cuerda y la piedra saldría disparada con riesgo de pérdidas materiales o humanas. La ISS sería la piedra mientras que el efecto de la gravedad sería la cuerda: la fuerza centrífuga generada por el giro (que tira hacia el exterior) se compensa con la fuerza centrípeta de la atracción gravitatoria (que tira hacia el interior). Si está en equilibrio, tiene una órbita estable; si la velocidad disminuye, acabaría cayendo; y si la velocidad supera cierto umbral, se saldría de órbita y se dirigiría hacia el espacio. Por eso es muy importante mantener una velocidad determinada a una altura de órbita dada; en la ISS se consigue gracias a unos motores que corrigen la trayectoria y la velocidad cuando es necesario, ya sea para compensar el rozamiento, para bajar de altura para facilitar la llegada de material pesado o para esquivar basura espacial. Como a mayor altura hay menor atracción gravitatoria (recordemos que disminuye con el cuadrado de la distancia) se necesita menos velocidad para mantenerse en órbita: por ejemplo, los satélites geoestacionarios (que siempre miran a la misma zona de la superficie) están a unos 36 000 kilómetros de altura, se desplazan a una velocidad de unos 10 900 km/h y tardan 24 horas en realizar una vuelta completa respecto al eje de rotación de la Tierra.
Puede que algún lector se pregunte que si para mantener la órbita entra en juego el equilibrio entre la atracción gravitatoria y el movimiento de la ISS, eso quiere decir que hay gravedad, entonces ¿cómo es posible que los astronautas y los objetos floten en su interior? Por supuesto que hay atracción gravitatoria, si no, no caerían los satélites artificiales. A la altura de la ISS esta tiene un valor en torno al 90 % de la que hay en la superficie. Lo que sucede es que la estación y su contenido están en caída libre continuamente5 por lo que la sensación es de ingravidez, ideal para realizar los experimentos que comentamos al inicio y que, por el momento, parece se seguirán realizando hasta 2030, fecha en la que está previsto el fin de la misión.
Notas
(1) El individuo que hizo el pino y que se hizo muy popular décadas más tarde con otra demostración empírica basada en una junta tórica y un vaso de agua con hielo se llamaba Richard Feynman, premio nobel en 1965 por sus aportaciones a la electrodinámica cuántica y, probablemente, el segundo físico más importante del siglo XX.
(2) Pero no todo es desfavorable: hay que tener en cuenta que cuando un cohete arranca, consume combustible y va perdiendo masa a medida que se desplaza, por lo que tiene que acarrear menos carga. Konstantín Tsiolkovsky lo representó en la ecuación del cohete que lleva su nombre.
(3) No, el experimento no tenía como objetivo alguna cuestión relacionada con la paradoja de los gemelos de la relatividad general. A pesar de que 28 000 km/h es una gran velocidad para lo que estamos acostumbrados, apenas supone un 0.03 % de la velocidad de la luz, por lo que no existen diferencias significativas en cuanto al paso del tiempo para los que estamos en tierra firme y los astronautas de la ISS.
(4) En efecto, se llama termosfera por el calor, explicándose tradicionalmente que la temperatura en esta capa llega a ser de más de 1000 ºC. Y la ISS no se funde. De hecho, sin climatización las temperaturas interiores solo variarían entre unos 120 ºC cuando está expuesta al Sol y -170 ºC cuando está en zona nocturna. Esta posible contradicción se debe a que la temperatura se mide en las partículas, pero la densidad de estas es muy baja en la termosfera.
(5) Como contamos en Génesis de la relatividad general para principiantes, precisamente pensar en qué se siente cuando se está en caída libre fue lo que llevó a Albert Einstein a construir la teoría de la relatividad general.
Buen artículo, sobre todo para un ignorante como yo.
Después circulan por ahí imposturas sobre la colonización humana de la Luna, Marte, terraformaciones, etc.
Somos insignificantes; el universo podemos conocerlo un poco y admirarnos, no más. Esos maravillosos telescopios que nos hacen volver casi a los orígenes.