Dicen que el espacio es difícil . Si simplemente dejas caer un gran tubo lleno de combustible y oxidante encima de un motor excedente y lo enciendes, no irás al espacio hoy .

Para tener una idea del presupuesto más pequeño que puede tener y aun así llegar al espacio, mire Rocket Lab en Nueva Zelanda. Han pasado los últimos 10 años más o menos desarrollando la capacidad de ir al espacio de manera confiable. Su cohete Electron es uno de los cohetes orbitales más pequeños jamás diseñados. Puede enviar alrededor de 150 kg a la órbita por el bajo precio de $ 6 millones.

A $ 40,000/kg eso es bastante caro; SpaceX puede levantar mucho más a precios por debajo de $ 10,000/kg. Lo que ofrece Electron es un tiempo de respuesta rápido, una ubicación de lanzamiento única (Nueva Zelanda) y un costo total de lanzamiento bajo. ¡Y me sorprende descubrir que puede llegar a la Luna! Está programado para lanzar el Moon Express de 300 kg en 2019.

Scott Manley tiene un buen video sobre Electron . Si desea tener una buena idea de lo difícil que es llegar al espacio, le recomiendo ver sus otros videos sobre ciencia espacial.

Pero si bien 300 kg son suficientes para lanzar a unas pocas personas, no es suficiente para todas sus cosas: comida, agua, oxígeno, soporte vital, trajes, módulo de aterrizaje, nave para llegar a casa. Y no se puede simplemente escalar. Este es el por qué.

Un cohete exitoso requiere resolver una serie de problemas muy, muy difíciles en condiciones extremas. Sistemas de orientación, bombas de combustible , diseños de boquillas, fugas de combustible, criogenia (el oxígeno líquido y el hidrógeno deben mantenerse congelados), escudos térmicos (quieres volver), escenarios, etc.

Luego, entrar en órbita requiere no solo subir 100 km, esa es la parte fácil. También requiere ir de lado a 8 km/s o unos 29.000 km/h. Esto requiere un delta-v de unos 10 km/s. Entrar en órbita lunar requiere 6 km/s adicionales. Y aterrizando otros 1,5 km/s.

Delta-v es, de manera muy aproximada, una medida de la potencia de su motor y cuánto tiempo puede funcionar proporcionalmente a la masa del vehículo. A medida que aumenta la masa, cae delta-v. A medida que la masa disminuye, el delta-v aumenta. Debido a la tiranía de la ecuación del cohete , esta no es una relación lineal. Por cada kg de masa que agrega, debe agregar más combustible, lo que significa más masa, lo que significa más combustible. Para llegar a la órbita terrestre baja se requiere que alrededor del 85% de la nave sea combustible. La puesta en escena es más eficiente, pero agrega complicaciones. Llegar a la Luna requiere una fracción de combustible aún peor.

Esta es la razón por la que llevar a tres personas y 5.000 kg de sus cosas a la Luna fue una empresa tan colosal. No era solo que tuviéramos que aprender a hacerlo, sino que la escala era enorme y costosa. Es por eso que no hemos vuelto. Y es por eso que no puedes hacer un cohete con piezas sobrantes y volar a la Luna.

Salvage 1 fue una serie de televisión lanzada por una película piloto para televisión ( Salvage ) en 1979. Vi el programa durante su transmisión original, disfrutando de la diversión escapista, pero bastante consciente de que era pura fantasía.

Premisa del espectáculo

Harry Broderick (Andy Griffith) es un hombre que dirige un negocio de salvamento que tiene talento para explotar económicamente lo que otros pueden ver como basura. Él ve una oportunidad en la recuperación del hardware que la NASA dejó en la Luna durante el programa Apolo, y recluta a un experto en combustible y a un ex astronauta para que lo ayuden a construir una nave espacial para recuperarlo.

El experto en combustible tiene una fórmula "mágica" para algo muchas veces más poderoso que lo que se ha usado en cualquier cohete. IIRC, en el programa, fue descartado por la NASA como demasiado inestable.

El ex astronauta tiene una teoría favorita para una especie de ruta de acceso directo a la Luna que la NASA descartó como ciencia "chiflada".

La combinación del combustible mágico y la ruta de atajo hacen factible un cohete construido con un presupuesto reducido que puede ejecutar un rescate de las cosas que la NASA dejó atrás en la Luna.

Combustible para cohetes

El combustible para cohetes Salvage 1 es pura ficción de Hollywood. El libro de John D. Clark "¡Ignición!" presenta un relato de la búsqueda de la humanidad por el "mejor" combustible posible para cohetes ("mejor" depende de las cualidades elegidas como de mayor prioridad). El libro expone las numerosas vías de investigación y desarrollo y los resultados correspondientes. Basado en la sabiduría revelada en este libro, no podría existir tal combustible como el que se muestra en el programa. Hay límites a la cantidad/densidad de energía que se puede almacenar químicamente. Los combustibles que se aproximan a esos límites teóricos son extremadamente difíciles de manejar - altamente tóxicos (reactivos y productos de reacción) y corrosivos y/o inestables - básicamente caros y peligrosos de fabricar y manipular. Los combustibles más seguros (como se usan comúnmente) tienen menos rendimiento, pero la diferencia no es "

Atajo a la Luna

El "atajo" a la Luna demuestra una falta de comprensión por parte del personal de redacción del programa de física de nivel secundario. La premisa del programa es que entrar primero en órbita es un ejercicio costoso e innecesario que puede evitarse tomando un camino en línea recta. Desde una perspectiva de sentido común, podrías pensar que esto es cierto. Sin embargo, las leyes de la física muestran que el enfoque de menor costo es (más o menos) elevarse por encima de la atmósfera (bueno, la mayor parte), luego acelerar a la velocidad orbital para no volver a caer a la Tierra, y finalmente acelere un poco más para entrar en una trayectoria de transferencia hacia su destino. En realidad, estos pasos se mezclan un poco, pero el punto clave es que, para un vuelo propulsado por cohetes energéticamente eficiente, puede:

Resumen

El programa arrojó algunas cositas de "ciencia real", pero en su mayor parte, eludió la física real y todo tipo de problemas que deben resolverse para poner una carga útil en el espacio y lidiar con el entorno espacial (gravedad cero, sin atmósfera). , radiación solar/cósmica). Esto se aplica tanto a las personas como a los equipos. El espectáculo también distorsionó la escala en todo tipo de cosas, incluida la distancia a la Luna y el tiempo requerido para atravesarla, la altura de la atmósfera y (nuevamente) el tiempo requerido para viajar de manera segura entre la superficie de la Tierra y un entorno espacial.

El programa Apolo era costoso, pero buscaba la ruta "más barata" posible a la Luna en el sentido de que la trayectoria requería la menor cantidad (o casi) de propulsor posible en cada fase. También seleccionó el propulsor más óptimo para cada tarea.

• Hacer despegar lo que resultó ser un cohete verdaderamente masivo requirió una enorme cantidad de empuje; El RP-1 (queroseno refinado) y el oxígeno líquido resultan ser la mejor opción en este papel para un cohete químico (como se usa en la primera etapa de Saturno V).
• Alcanzar la velocidad de la trayectoria orbital/de transferencia requiere un alto impulso específico: para un cohete químico, esto significa hidrógeno líquido y oxígeno líquido (las etapas segunda y tercera de Saturno V).
• Después de unos días en el espacio (desde la costa hasta la órbita lunar), la capacidad de almacenamiento se convierte en una consideración importante, y debido a que la tripulación ahora está más allá del rescate práctico, la confiabilidad también es una preocupación importante, por lo que se usan propulsores hipergólicos, a pesar del impulso específico más bajo (Apollo CSM y LM).

Lo que hizo que Apolo fuera costoso fue en parte que el espacio es difícil y en parte que el mandato de Kennedy de ir a la Luna tenía un marco de tiempo agresivo. SpaceX está demostrando que el acceso al espacio se puede hacer de manera menos costosa, pero solo puede llevar las cosas hasta cierto punto.

Solo algunas de las cosas que hacen que los viajes espaciales y los cohetes sean caros:

• El peso es crítico, y todo suma. Las piezas y los materiales deben mantenerse livianos y, al mismo tiempo, lo suficientemente fuertes para hacer el trabajo requerido.
• Hay poco o ningún espacio para los defectos. Reducir el peso significa dejar poco espacio para que los materiales estén por debajo de las especificaciones. - todo tiene que ser de alta calidad para que algo importante no rompa y arruine tu día. Y, en general, dado que debe mantener el peso bajo, solo tiene lo que necesita, por lo que nada es sin importancia.
• Los materiales utilizados en las piezas del motor: cámaras de combustión, álabes de la turbina de la bomba de combustible, etc., tienen que soportar altas temperaturas y tensiones simultáneamente, y deben fabricarse con tolerancias finas. Los materiales y procesos de fabricación para lograrlo no son baratos.
• Los sistemas tienen que trabajar en gravedad cero. Tratar con la forma en que se mueven los fluidos en ausencia de gravedad puede ser un verdadero truco.
• Los sistemas tienen que funcionar en el vacío. En ausencia de aire, las partes móviles pueden soldarse al vacío. Los cojinetes, etc. deben diseñarse y fabricarse para funcionar en el vacío.
• Tienes que llevar contigo todo lo que vas a necesitar. Eso puede generar una lista larga, grandes cantidades de suministros como aire y agua, y aumentar el presupuesto masivo.

Sí, puedes hacer un cohete barato, pero un cohete barato no te llevará al espacio. Para llegar a "barato" hay que sacrificar cosas importantes. Puede ser demasiado frágil y romperse; puede ser demasiado pesado y no llevarte muy lejos; puede que no lleve suficiente combustible y tampoco lo lleve muy lejos; puede ser demasiado ineficiente (bajo ISP) y no hacer que vaya lo suficientemente rápido; Es posible que las cosas no funcionen cuando se necesitan porque no se diseñaron o probaron correctamente para el entorno en el que se encuentran cuando se les solicita.