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Un Nuevo Paradigma para las Órbitas Lunares
La NASA investiga un tipo de órbitas lunares inmunes a la influencia gravitacional de la Tierra
Estamos en 2015. Usted es un ingeniero en jefe de la NASA y se encuentra diseñando una base lunar para el cráter Shackleton, en el polo sur lunar. También está usted diseñando un sistema de comunicaciones que permitirá a los astronautas un contacto continuo por radio con la Tierra.
Pero usted sabe que las transmisiones directas no funcionan - no siempre. Vista desde el cráter Shackleton, la Tierra se halla bajo el horizonte de dos a tres semanas por mes (según la localización de la base). Esto bloquea las señales de radio, que viajan por la línea de la visión.
Derecha: Concepción del artista Pat Rawling de una base lunar con personal.
La solución parece obvia. Simplemente colocar un satélite en una órbita circular alta que casi vaya sobre los polos de la Luna. O mejor aún, colocar tres satélites en la misma órbita separados 120 grados uno del otro. Dos estarían siempre sobre el horizonte lunar para retransmitir los mensajes a y desde la Tierra.
Sólo hay un problema.
"Las órbitas circulares de gran altitud alrededor de la Luna son inestables", explica Todd A. Ely, ingeniero superior de guía, navegación y control del Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA. "Ponga un satélite en una órbita lunar circular a una altitud de aproximadamente 1.200 kilómetros (750 millas) y se estrellará en la superficie lunar, o bien acabará alejándose completamente de la Luna en una órbita hiperbólica". Dependiendo de la órbita específica, esto puede ocurrir rápidamente: en apenas unas decenas de días.
¿Por qué? La Tierra es la responsable. La gravedad de la masiva Tierra, situada a solo 400,000 kilómetros (240,000 millas) de la Luna, tira constantemente de los satélites lunares. Para una órbita lunar superior a 1,200 kilómetros, el tirón de la Tierra es de hecho suficiente para dejar a una astronave fuera de juego.
Los satélites en la órbita de la Tierra no experimentan este tipo de interferencia por parte de la Luna, que tiene solo 1/80 de la masa de la Tierra - apenas algo más del 1%. Relativamente hablando, la Luna es insignificante desde el punto de vista gravitacional. De hecho, para cualquier satélite en órbita terrestre, el empuje gravitacional del Sol es 160 veces mayor que la influencia lunar.
Sin embargo, un satélite en órbita alrededor de la Luna, a más de 1.200 kilómetros de altitud, se encuentra en una especie de juego celestial de tira y afloja entre la Luna y la Tierra. El empuje de la Tierra puede realmente cambiar la forma de una órbita, tornando de este modo una órbita circular en una elipse alargada.
Existen órbitas circulares estables por debajo de una inclinación de 39,6°, comenta Ely, pero pasan tanto tiempo cerca del ecuador que "son órbitas pésimas para cubrir los polos."
La NASA pretende explorar los polos de la Luna por varias razones - principalmente porque los profundos cráteres polares podrían contener hielo, que los astronautas podrían recoger y fundir con el fin de obtener agua para beber, o para separarla en hidrogeno y oxígeno, que se pueda emplear como combustible para cohetes, entre otros usos. La inestabilidad de las órbitas polares plantea un gran problema para la exploración.
Ahora las buenas noticias. Ely y algunos de sus colegas han descubierto una clase completamente nueva de órbitas lunares "congeladas" o estables a gran altura. Representadas a la derecha, dichas órbitas están inclinadas en ángulos pronunciados respecto del plano ecuatorial de la Luna, por lo que llegan lejos sobre el horizonte en los polos lunares y - sorpresa - también todas ellas son bastante elípticas.
"Para una mejor cobertura del polo sur, usted querrá una elipse con una excentricidad de alrededor de 0,6, lo que es bastante oval", comenta Ely. Una excentricidad de 0 es un círculo, sobre el cual un satélite viaja a velocidad constante alrededor de un cuerpo primario (esto es, la Luna) en su centro. Con la Tierra próxima, es imposible: "Una órbita circular inclinada es una especie de lienzo en blanco donde la Tierra puede rápidamente trabajar a su voluntad", comenta Ely.
En contraste, una excentricidad de 0,6 es una elipse casi tan ovalada como una pelota de fútbol americano sin los extremos puntiagudos; la Luna estaría en uno de los focos de la elipse. "La elipse, efectivamente, limita el comportamiento del satélite al hacerlo más resistente a los cambios por parte de la Tierra ", explica Ely. [Ver el apéndice más abajo para obtener detalles]. ¿Cómo son de estables? Ely y sus colegas calculan que ciertas órbitas lunares elípticas de gran inclinación y a gran altura pueden permanecer estables por periodos de al menos un siglo. De hecho, Ely sostiene la hipótesis de que las órbitas podrían mantenerse indefinidamente.
Para comunicaciones y navegación lunares, Ely recomienda espaciar tres satélites separados 120° en la misma órbita elíptica con una inclinación de 51°. Cada satélite, a su vez, bajaría ruidosamente hasta pasar la periapsis (aproximación más cercana a la Luna) a solo 700 kilómetros (450 millas) sobre el polo norte lunar, pero cada uno podría retrasarse 8 horas enteras de las 12 horas orbitales a 8.000 kilómetros (5.000 millas) encima del horizonte, sobre el polo sur lunar. Con esta configuración, dos de los tres satélites estarían siempre en la línea de visión de radio desde la base lunar del polo sur.
¿Son las órbitas de alta inclinación, muy elípticas, más baratas y estables para satélites de comunicaciones alrededor de la Luna? Para los satélites centrados en la Tierra, los ingenieros solían pensar en términos de órbitas ecuatoriales elípticas, "es un nuevo paradigma", declara Ely.
AAG
