En el primero episodio de la Fundación serie en Apple TV, vemos a un terrorista intentar destruir el ascensor espacial utilizado por el Imperio Galáctico. Esta parece una gran oportunidad para hablar sobre la física de los ascensores espaciales y considerar qué pasaría si uno explotara. (Pista: no sería bueno.)
A la gente le gusta poner cosas más allá de la atmósfera de la Tierra: nos permite tener satélites meteorológicos, una estación espacial, satélites GPS e incluso el telescopio espacial James Webb. Pero ahora mismo, nuestra única opción para llevar cosas al espacio es atarlos a una explosión química controlada que solemos llamar "un cohete".
No me malinterpreten, los cohetes son geniales, pero también son caros e ineficientes. Consideremos lo que se necesita para llevar un objeto de 1 kilogramo a la órbita terrestre baja (LEO). Esto es alrededor de 400 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, más o menos donde se encuentra la Estación Espacial Internacional. Para poner este objeto en órbita, debe lograr dos cosas. Primero, debes levantarlo 400 kilómetros. Pero si solo aumentara la altitud del objeto, no estaría en el espacio por mucho tiempo. Simplemente volvería a caer a la Tierra. Entonces, en segundo lugar, para mantener esta cosa en LEO, tiene que moverse, muy rápido.
Solo un repaso rápido sobre la energía: resulta que la cantidad de energía que ponemos en un sistema (lo llamamos trabajo) es igual al cambio de energía en ese sistema. Podemos modelar matemáticamente diferentes tipos de energía. La energía cinética es la energía que tiene un objeto debido a su velocidad. Entonces, si aumenta la velocidad de un objeto, aumentará su energía cinética. La energía potencial gravitacional depende de la distancia entre el objeto y la Tierra. Esto significa que al aumentar la altitud de un objeto aumenta la energía potencial gravitatoria.
Entonces, supongamos que desea usar un cohete para aumentar la energía potencial gravitatoria del objeto (para elevarlo a la altitud correcta) y también aumentar su energía cinética (para que alcance la velocidad). Entrar en órbita tiene más que ver con la velocidad que con la altura. Solo el 11 por ciento de la energía estaría en la energía potencial gravitatoria. El resto sería cinético.
La energía total para poner en órbita ese objeto de 1 kilogramo sería de unos 33 millones de julios. A modo de comparación, si levanta un libro de texto del suelo y lo pone sobre una mesa, se necesitan unos 10 julios. Se necesitaría mucha más energía para entrar en órbita.
Pero el problema es en realidad aún más difícil que eso. Con los cohetes químicos, no solo necesitan energía para poner en órbita ese objeto de 1 kilogramo, los cohetes también necesitan transportar su combustible para el viaje a LEO. Hasta que quemen este combustible, es esencialmente solo masa adicional para la carga útil, lo que significa que deben lanzar con aún más combustible. Para muchos cohetes de la vida real, hasta el 85 por ciento de la masa total puede ser solo combustible. Eso es súper ineficiente.
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