Ciencia@Nasa

Concepción del artista Pat Rawling de una base lunar con personal. [Más información]

Noviembre 30, 2006: Estamos en 2015. Usted es un ingeniero jefe de la NASA diseñando una base lunar para el cráter Shackleton en el polo Sur lunar. También está 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 cae bajo el horizonte de dos a tres semanas cada mes (según la localización de la base). Esto bloquea las señales de radio, que viajan por la línea de la visual.

La solución parece obvia. Simplemente colocar un satélite en una órbita circular alta que casi vaya sobre los polos de la Luna. Mejor aún, colocar tres satélites en la misma órbita separados 120 grados. Dos estarían siempre sobre el horizonte lunar para retransmitir los mensajes a y desde la Tierra.

Sólo hay un problema.

“Las órbitas circulares a gran altura alrededor de la Luna son inestables”, explica Todd A. Ely, ingeniero superior para guía, navegación y control del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. “Ponga un satélite en una órbita lunar circular sobre una altitud de alrededor de 1.200 kilómetros (750 millas) y, o bien se estrellará en la superficie lunar, o bien será arrojado completamente de la Luna en una órbita hiperbólica”. Dependiendo de la órbita específica, esto puede ocurrir rápidamente: en unas decenas de días.

¿Por qué? La Tierra es la responsable. La gravedad de la masiva Tierra 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 realmente suficiente para barrer una astronave fuera del juego.

Los satélites en la órbita de la Tierra no experimentan este tipo de interferencia de la Luna. La Luna tiene solo 1/80 de la masa de la Tierra – poco más del 1%. Relativamente hablando, la Luna es una nulidad 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 se encuentra en una especie de juego celestial de tiro de cuerda entre la Luna y la Tierra. El empuje de la Tierra puede realmente cambiar la forma de una órbita de circular a una elipse alongada.

Existen órbitas circulares estables por debajo de una inclinación de 39,6º, 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 – no siendo la menor que los profundos cráteres polares podrían contener hielo, que los astronautas podrían recoger y fundir para bebida o separar en hidrogeno y oxígeno para combustible de cohete y otros usos. La inestabilidad de las órbitas polares plantea un gran problema para la exploración.

Ahora la Buena noticia. Ely y algunos de sus colegas han descubierto una completa nueva clase de órbitas lunares “congeladas” o estables a gran altura. Representadas a la derecha, están inclinadas en ángulos pronunciados del plano ecuatorial de la Luna por lo que llegan lejos sobre el horizonte en los polos lunares y – sorpresa – también son todas ellas 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, no puede tomarse en cuenta: “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 futbol americano sin los finales 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 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 120º en la misma órbita elíptica con una inclinación de 51º. Cada satélite a su vez bajaría silbando pasada la periapsis (aproximación más cercana a la superficie lunar) 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 visual de radio desde la base lunar del polo Sur.

¿Órbitas de alta inclinación, muy elípticas siendo más baratas y estables para satélites de comunicaciones alrededor de la Luna? Para satélites centrados en la Tierra los ingenieros acostumbran a pensar en términos de órbitas ecuatoriales elípticas, “es un nuevo paradigma”, declara Ely.

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Nota del Dr. Tony Phillips: Esta historia describe los problemas de mantener satélites en órbitas altas alrededor de la Luna. Satélites de baja órbita también tienen problemas. Los “mascons” (concentraciones de masa) lunares tiran de ellos y causan que se estrellen en el suelo. La Tierra afecta las órbitas altas, los mascons afectan órbitas bajas. Para mayor información leer el artículo de Ciencia@NASA Extrañas Órbitas Lunares.

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Autor: Trudy E. Bell