El ascensor espacial. Parte II: cómo un sueño se convirtió en un cálculo de ingeniería (siglo XX)

Continuamos nuestra investigación sobre el ascensor espacial.

Capítulo 8. De vuelta a la Tierra: la revolucionaria inversión de Yuri Artsutánov

El concepto que Konstantín Tsiolkovski propuso en 1895 tenía una debilidad fundamental: presuponía construir la torre de abajo arriba. Desde el punto de vista de la mecánica estructural clásica, cualquier estructura de ese tipo quedaría aplastada por su propia masa colosal; sería como intentar construir una torre gigantesca con espaguetis mojados: se derrumbaría de inmediato bajo su propio peso.

La idea llegó a un callejón sin salida durante más de medio siglo, hasta que en 1960 un joven ingeniero soviético de Leningrado, Yuri Artsutánov, descubrió cómo darle la vuelta al problema, en el sentido más literal. Imaginemos a un niño haciendo girar una piedra atada a una cuerda. Mientras la piedra gira, la cuerda se mantiene tensa, estirada por la fuerza centrífuga. La Tierra es el niño y el satélite en órbita es la piedra. El cable del ascensor no se sostiene sobre el suelo: cuelga en el espacio, mantenido en tensión por la propia rotación del planeta.

Artsutánov propuso abandonar por completo la idea de una torre de soporte en tierra. En su lugar, el punto de partida debía ser un satélite artificial situado en órbita geoestacionaria, a unos 36 000 kilómetros sobre el nivel del mar, donde la velocidad de rotación del satélite coincide exactamente con la de la Tierra, de manera que parece «suspendido» sobre un único punto del ecuador. Desde este satélite se debía hacer descender un cable resistente hacia el planeta al mismo tiempo que se extendía otro cable hacia arriba, adentrándose en el espacio, como contrapeso para mantener fijo el centro de masas.

Esta maniobra cambió por completo la física del problema: la estructura pasó de un estado de compresión a uno de tensión. La fuerza centrífuga producida por la rotación del planeta tensaba el cable como una cuerda, convirtiéndolo en un carril guía ideal para los vehículos trepadores.

Artsutánov publicó sus cálculos el 31 de julio de 1960 en el popular periódico Komsomólskaya Pravda, en un artículo con el llamativo título «Al espacio en tren eléctrico». Demostró que el cable debía tener una sección variable: lo más gruesa posible a la altura de la órbita geoestacionaria, donde la carga alcanza su máximo, y cada vez más fina hacia la superficie de la Tierra.

Al sustituir la torre de soporte por un cable mantenido en tensión mediante la fuerza centrífuga, Artsutánov trasladó el ascensor espacial del terreno del absurdo técnico al de un problema mecánico teóricamente resoluble: el cambio de paradigma más importante de toda la historia del proyecto. Por eso los ingenieros siguen afirmando que un ascensor espacial puede construirse: no de abajo arriba, sino suspendido desde la órbita. Por qué el ingeniero optó por publicar este descubrimiento que marcó una época en un periódico juvenil de gran difusión y no en una revista académica sometida a revisión por pares sigue siendo, todavía hoy, una auténtica incógnita; aquella elección mantuvo su trabajo oculto a la comunidad científica mundial durante años.

Capítulo 9. El descubrimiento independiente de Jerome Pearson

En la historia de la ciencia no faltan ejemplos de ideas revolucionarias que parecen estar flotando en el aire y surgen simultáneamente en distintos rincones del planeta. Eso fue exactamente lo que ocurrió a mediados de la década de 1970, cuando el concepto del ascensor espacial se redescubrió desde cero, esta vez en otro continente y sin conocimiento alguno de las publicaciones soviéticas anteriores.

En 1975, el ingeniero aeroespacial estadounidense Jerome Pearson, que trabajaba en problemas de mecánica orbital en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, llegó exactamente a las mismas conclusiones que Artsutánov. Pearson llevó a cabo un análisis detallado del comportamiento de los sistemas de cables largos en el espacio y fundamentó matemáticamente la estructura que denominó «Torre Orbital».

A diferencia de su colega de Leningrado, Pearson publicó un artículo técnico completo en la prestigiosa revista internacional Acta Astronautica y, gracias a ello, el proyecto obtuvo por fin pleno reconocimiento dentro de la comunidad científica mundial. El ingeniero estadounidense realizó un análisis profundo de la estabilidad del sistema: calculó cómo afectarían al cable las perturbaciones gravitatorias de la Luna y el Sol y modelizó las cargas del viento dentro de la atmósfera terrestre. Su trabajo convirtió el ascensor espacial en un tema legítimo de debate en los congresos internacionales de astronáutica.

De este modo, Jerome Pearson garantizó al proyecto su reconocimiento académico oficial: sus rigurosos modelos matemáticos demostraron a la comunidad de ingenieros que la idea no contradecía las leyes de la física y merecía una consideración seria. Queda una incógnita: si el pensamiento de Pearson llegó a cruzarse con alguna mención anterior de la idea en publicaciones técnicas estadounidenses o si su conclusión surgió como un producto completamente aislado de la ingeniería pura.

Ascensor lunar de Jerome Pearson

El diagrama ilustra dos conceptos de ascensor espacial lunar: un ascensor ecuatorial (arriba) y un ascensor polar (abajo). El cable se extiende desde la superficie de la Luna, atraviesa el punto de Lagrange L1 del sistema Tierra-Luna y llega hasta un contrapeso situado más allá de este, lo que mantiene el cable en tensión.

Capítulo 10. Cómo la ciencia ficción convirtió la idea en un clásico de culto: Arthur C. Clarke y «Las fuentes del paraíso»

Incluso las fórmulas más impecables de las revistas académicas suelen pasar inadvertidas para el gran público si un gran narrador no toma la iniciativa. El ascensor espacial alcanzó una auténtica popularidad masiva y adquirió la categoría de mito tecnológico de culto en 1979, cuando el célebre escritor inglés de ciencia ficción y futurista Arthur C. Clarke publicó su novela «Las fuentes del paraíso».

Clarke abordó el libro con el máximo rigor científico: consultó personalmente a Jerome Pearson para asegurarse de que la descripción técnica de la construcción del ascensor en la base ecuatorial ficticia de Taprobane (inspirada en la isla de Sri Lanka) fuera impecable. De forma paralela y totalmente independiente de Clarke, el científico y escritor estadounidense Charles Sheffield escribió una novela titulada «La telaraña entre los mundos» con una trama idéntica. Esto provocó un breve momento de confusión en los círculos editoriales, pero los dos autores resolvieron rápidamente el asunto al reconocer que se trataba de una coincidencia de ideas de buena fe.

La novela de Clarke ganó los prestigiosos premios Hugo y Nébula, y convirtió al instante la expresión «ascensor espacial» en un concepto conocido por todos. El libro no se limitaba a entretener a los lectores: presentaba un escenario detallado de cómo el acceso barato a la órbita sin cohetes transformaría la economía de la Tierra.

Cuando más tarde preguntaron a Clarke cuándo construiría realmente la humanidad un ascensor semejante, dio su respuesta profética, hoy célebre: «Unos cincuenta años después de que todo el mundo deje de reírse».

El paso de la década de 1970 a la de 1980 cambió por completo la posición del proyecto en la cultura popular: gracias a la ciencia ficción, el ascensor espacial dejó de ser la excéntrica obsesión de unos pocos ingenieros para convertirse en un símbolo ampliamente reconocido de la futura expansión de la humanidad por el espacio.

Capítulo 11. El avance de los nanomateriales de carbono que hizo posible el ascensor espacial: Sumio Iijima y los hilos moleculares

A pesar de las elegantes matemáticas de Pearson y de las vívidas imágenes de Clarke, a finales del siglo XX el proyecto chocó contra un muro sólido: la ciencia de los materiales. El problema central era evidente: ninguna sustancia del planeta podía soportar la tensión de tracción que se produciría en un cable de 36 000 kilómetros. El acero, el titanio, el aluminio e incluso el kevlar se romperían bajo su propio peso mucho antes de alcanzar la órbita. Se necesitaba un material con una resistencia de un orden completamente distinto.

La solución llegó de la física fundamental del estado sólido. En 1991, el físico japonés Sumio Iijima publicó en la revista Nature un artículo decisivo que desencadenó un verdadero auge de la nanotecnología. En él describía con detalle los nanotubos de carbono (NTC): estructuras cilíndricas alargadas formadas por redes hexagonales enrolladas de átomos de carbono.

Los nanotubos de carbono presentaban propiedades físicas extraordinarias: su resistencia teórica a la tracción superaba los 100 gigapascales con una densidad asombrosamente baja, lo que significaba que un hilo de este material podía soportar cargas colosales siendo cien veces más resistente que el acero y muchas veces más ligero. Por primera vez en la historia, los ingenieros tenían a su disposición un material real cuyas características cumplían los estrictos requisitos de los cálculos teóricos para un cable espacial. El descubrimiento de Iijima suele citarse como el momento decisivo cuando se pregunta si un ascensor espacial es posible en principio: por primera vez existía un material real que, sobre el papel, era suficientemente resistente.

El descubrimiento de 1991 evitó que el proyecto quedara olvidado en los archivos de la física teórica: llenó el mayor vacío del concepto al proporcionar la base de la ciencia de los materiales para un hilo superresistente que uniera la Tierra con el espacio. Aun así, la ciencia todavía no ha desarrollado un método industrial para el crecimiento continuo de nanotubos sin defectos de varios kilómetros de longitud; los laboratorios siguen consiguiendo producir únicamente estructuras microscópicas cuya resistencia disminuye en cuanto se intenta entretejerlas para formar un cable de longitud completa.

Capítulo 12. Planos para la NASA: Bradley Edwards y el primer diseño real de un ascensor

Con el cambio de milenio, el concepto dio su último paso: pasó de ser un conjunto de supuestos de ciencia ficción a convertirse en un plan de ingeniería detallado. Entre 1999 y 2003, el físico estadounidense Bradley Edwards dirigió un estudio a gran escala financiado por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC), cuyo objetivo era elaborar la primera hoja de ruta integral de ingeniería para un ascensor espacial de la historia.

Edwards no se limitó a volver a comprobar la física del cable: desarrolló con detalle toda la infraestructura auxiliar. Su escenario parecía pragmático:

1. Primero, se pone en órbita una nave espacial base que hace descender cuidadosamente hasta la Tierra una fina «cinta semilla» de carbono.
2. Después, unos robots trepadores mecánicos comienzan a ascender por esta cinta inicial desde el suelo, enrollando gradualmente nuevas capas de nanocinta de carbono sobre el cable base y aumentando su resistencia hasta alcanzar niveles de escala industrial.

El proyecto describía con detalle el sistema de suministro de energía: los vehículos trepadores recibirían energía desde la Tierra mediante potentes láseres infrarrojos enfocados sobre sus paneles fotovoltaicos. Edwards calculó dónde situar una plataforma flotante de lanzamiento en el océano Pacífico ecuatorial, analizó los riesgos de colisión con basura espacial y propuso mecanismos de protección contra los rayos. El coste final estimado del proyecto ascendía a unos 10 000 millones de dólares, una cifra comparable a los presupuestos de los grandes programas espaciales modernos.

La investigación de Bradley Edwards convirtió el ascensor espacial, antes una hipótesis especulativa, en un plan de ingeniería estructurado: el proyecto dejó de ser una cuestión del futuro lejano y se desglosó en etapas tecnológicas concretas. Dicho esto, los efectos reales de la degradación a largo plazo de la cinta de carbono por la exposición al oxígeno atómico de la atmósfera superior y a la intensa radiación de los cinturones de Van Allen siguen estando poco estudiados, lo que significa que la vida útil de un sistema de este tipo podría terminar requiriendo una revisión considerable.

Fuentes:

• Wikimedia Commons — Yuri Artsutanov and Jerome Pearson meeting for the first time outside the Heritage Museum in St. Petersburg in August 2006. David Raitt
• Bryan Derksen, Lunar space elevator, CC BY-SA 3.0
• Basroks, Carbon nanotube (single-walled zigzag), CC BY-SA 3.0
• Mstroeck on en.wikipedia, Types of Carbon Nanotubes, CC BY-SA 3.0
• 齋藤千絵 名城2010Fとともに, CC BY-SA 3.0
• Booyabazooka at English Wikipedia., Space elevator structural diagram, CC BY-SA 2.0
• Bandai Namco Entertainment America, International Space Elevator (Ace Combat 7), CC BY 3.0