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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 |
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Noviembre 30, 2006: 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.
Derecha: Concepción del artista Pat Rawling de una base lunar con personal. [Más Información] 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.
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.
"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. Nota del Editor: Esta historia describe los problemas de mantener satélites en órbitas de gran altitud alrededor de la Luna. Pero los satélites en órbitas bajas 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 las órbitas bajas. Para obtener mayor información, consulte el artículo de Ciencia@NASA titulado Extrañas Órbitas Lunares. |
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.|
Créditos y Contactos Autora: Trudy E. Bell Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack Editor de Producción: Dr. Tony Phillips Curador: Bryan Walls |
Relaciones con los Medios: Steve Roy Traducción al Español: Ramón Sanromà Editor en Español: Angela de Borghetti Editor Científico: Carlos Román |
| El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión. | |
 Este artículo fue traducido al español con
el apoyo de Astroseti.org |
| Más Información (en inglés y español) |
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Extrañas Órbitas Lunares (Ciencia@NASA) — Misteriosas concentraciones de masa en los antiguos mares de lava de la Luna perturban las órbitas de naves espaciales circunlunares. Dos recientes artículos de Ely describen órbitas altas lunares estables y sus desafios:
APÉNDICE: LA ESTABILIDAD DE LAS ÓRBITAS LUNARES DE GRAN ALTITUD La estabilidad de las órbitas lunares altas (así como de estrellas y de agujeros negros) se basa totalmente en el momento angular - la fuerza que mantiene a una peonza, a un giroscopio o a una patinadora girando erguidos, incluso si se los perturba levemente desde un lado. Para cualquier cosa que gira, los físicos usan la regla de la mano derecha. Doble los dedos de su mano derecha apuntando en la dirección del giro. Entonces su pulgar apuntará a lo largo del eje de giro. Más importante, apuntará en la dirección de lo que los físicos llaman vector de momento angular, que tiene una dirección absoluta en el espacio. Usted puede realmente sentir el vector de momento angular. Intente esto. Saque la rueda delantera de una bicicleta. Sosténgala horizontalmente por el eje con un brazo por encima y el otro por debajo, dejando la rueda libre para girar. Pida a un amigo que haga girar la rueda tan rápidamente como pueda. Cuando la rueda gire, intente inclinarla en un ángulo diferente o incluso voltearla. Descubrirá que la rueda giratoria se resiste con fuerza sorprendente. De hecho, el momento angular de las ruedas de la bicicleta es lo que hace más fácil equilibrar la bicicleta cuando se va deprisa que cuando se va despacio. Una última y breve lección antes de volver a las órbitas: La magnitud del vector de momento angular depende de tres cantidades: la frecuencia de giro, la masa del objeto que gira, y la distancia de la masa al eje (la longitud del brazo de palanca). Más aún, el momento angular se conserva - esto es, en ausencia de pérdidas como la fricción o aplicación de fuerzas de torsión externas (movimientos que impliquen torsión), el vector de momento angular permanecerá constante. Por tanto, si la frecuencia de giro, la masa o el brazo de palanca cambian, entonces las cantidades restantes deben cambiar de algún modo compensatorio para mantener el momento angular constante. Ejemplo: si una patinadora al girar lleva sus brazos cerca del cuerpo (acorta la distancia del brazo de palanca), comienza a girar más rápidamente. La constancia del vector del momento angular es también el motivo por el que los giróscopos se usan para estabilizar la orientación de una astronave (como el Telescopio Espacial Hubble) en el espacio. ¿Pero qué tiene que ver todo esto con las órbitas lunares? Cada órbita tiene su momento angular. Los satélites pueden ser bastante pesados (varios kilogramos). Y los brazos de palanca pueden medir cientos o miles de kilómetros de largo. Ahora, si una órbita lunar es circular con la Luna en su centro, el satélite viaja a velocidad constante - una situación que lo hace vulnerable al tirón gravitacional de la Tierra. El efecto de estas fascinantes dinámicas no es acelerar el satélite en su órbita, sino aplicar una fuerza de torsión (un torcimiento) que altera la inclinación (ladeo) del plano de la órbita del satélite. Este cambio en la inclinación es contrarrestado por el vector de momento angular, del mismo modo que la rueda de bicicleta al girar resiste sus intentos de cambiar la inclinación. El único modo en que la órbita puede efectuar una compensación para conservar el momento angular es cambiar su forma o excentricidad: específicamente, ser menos circular (excentricidad = 0) y más elíptica (excentricidad > 0 pero < 1). Si la órbita original circular era acentuadamente inclinada, sin embargo, el cambio en la forma puede ser tan radical que el satélite es lanzado a una hipérbola (excentricidad > 1) y sale despedido completamente de la Luna. Por debajo de una inclinación crítica de 39,6°, el plano de la órbita de un satélite lunar se balancea hacia arriba y hacia abajo por la línea que une la apoapsis de la elipse (el punto más alejado de la Luna) y la periapsis (el punto más cercano a la Luna) siendo arrastrado por la Tierra como si estuviera atado con una correa. Estas órbitas elípticas de baja inclinación circulan alrededor de la Luna. Por encima de esta inclinación de 39,6°, la línea que une el periapsis y el apoapsis de la órbita se mantiene relativamente fija en el espacio, proveyendo una órbita estable a los satélites de comunicación y navegación con necesidades mínimas de combustible para correcciones periódicas del curso. |
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