Super cañón para enviar cargas al espacio

Los físicos estudian seriamente construir un cañón de un kilómetro de largo que sirva para enviar cargas al espacio. El sistema, que a pesar de las dificultades técnicas que plantea es viable, reduciría el coste de un lanzamiento a la órbita baja en más de 10 veces. Ya se han hecho algunos experimentos similares, con cañones de más de 35 metros, capaces de disparar proyectiles hasta la parte alta de la atmósfera. El nuevo sistema dispararía proyectiles de 450 kilogramos de peso a más de 20 mil kilómetros por hora.

Quizás la novela más conocida escrita por el genial Julio Verne sea “De la Tierra a la Luna”. Verne, en 1865, explicaba con todo detalle los preparativos necesarios para enviar una misión tripulada a la Luna utilizando como sistema de lanzamiento un gigantesco cañón. A pesar de que contiene unos cuantos errores físicos groseros (y de que finalmente el proyectil yerra a la Luna y regresa nuevamente a la Tierra), el argumento de esta novela escrita hace más de 140 años podría servir de inspiración a un nuevo sistema de lanzamiento de cargas al espacio.

Uno de los problemas más grandes que se enfrentan las agencias a la hora de ir al espacio es el tremendo coste que tiene poner cada kilogramo de carga útil en orbita. En efecto, para abandonar nuestro planeta se necesita una “velocidad de escape” que supera los 11 kilómetros por segundo. Construir vehículos autopropulsados capaces de semejante hazaña siempre ha sido caro y peligroso. Si pudiésemos diseñar un cañón para que dispare proyectiles huecos de un tamaño razonable, la carrera espacial recibiría un impulso decisivo. Justamente eso es lo que intenta lograr John Hunter y un equipo de físicos del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de California.

Hunter ha pasado mucho tiempo pensando en cómo utilizar un cañón como sistema de lanzamiento. Realizó sus primeros experimentos a mediados de la última década del siglo pasado, también en el LLNL, en el marco del Super High Altitude Research Project. En esa oportunidad se utilizó un cañón naval modificado, de 36 metros de largo, para enviar proyectiles a la parte alta de la atmósfera. Sin embargo, ahora se ha embarcado en un proyecto mucho más ambicioso. Para lograr su objetivo necesita construir un cañón de 1100 metros de largo, que será capaz de enviar cargas de 450 kilogramos de peso directamente a la órbita baja de la Tierra. Los proyectiles imaginados por Hunter abandonarían la boca del cañón a más de 20.000 kilómetros por hora, y deberían incluir un escudo térmico para evitar se quemen en la atmósfera. Este supercañon se construiría “apoyado” contra la ladera de una montaña, y costaría unos 500 millones de dólares.

Muchos detalles del libro de Verne -en el que parece haberse inspirado Hunter- contradicen principios físicos elementales. Sin embargo, el cañón puede ser construido, aunque no para transportar humanos abordo ya que, claro, nadie podría sobrevivir al despegue. Puede demostrarse, a partir de las ecuaciones del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, que la aceleración necesaria para lograr la velocidad de escape utilizando un cañón de ese largo, es de algunos miles de veces la que experimentamos sobre la Tierra. Un astronauta -debidamente instalado y apoyado sobre su espalda- puede resistir aceleraciones de hasta unos 5 o 6g. A 10g seguramente sufriría la pérdida de la consciencia o la rotura de los órganos y venas. Pero aunque un cañón no sea una forma sensata de enviar gente al espacio, puede ser el vehículo ideal para transportar cargas inertes (agua, alimentos, combustible), con un costo 10 veces menor que el actual.

Las leyes físicas dicen que una bala de cañón no puede ir más rápido las moléculas de gas que lo empujan a lo largo del mismo. La velocidad de estas moléculas puede calcularse y, dejando las fórmulas de lado, a una temperatura determinada será mayor cuando menor sea su masa. Las moléculas producidas por la pólvora sin humo usada en los cañones militares es muy pesadas (y por lo tanto lentas) como para permitir alcanzar la velocidad necesaria a un proyectil que deba abandonar la Tierra. La mejor molécula para hacer este trabajo es -sin dudas- la de hidrógeno. Lamentablemente, ningún explosivo práctico genera gas hidrógeno en su deflagración.

Pero existe una solución. Hunter piensa usar un cañón que posee dos tubos conectados perpendicularmente entre sí, aunque separados por un tabique que se hace pedazos cuando la presión en él se hace demasiado alta. En uno de los tubos (el principal) se coloca el proyectil. El otro se llena de hidrógeno, que se comprime mediante un pistón disparado por un explosivo convencional. Al disparar el cañón auxiliar, el pistón avanza rápidamente comprimiendo (y calentando) el hidrógeno que se encuentra entre él y el tabique. En un momento determinado, la presión del hidrógeno caliente es capaz de romper el compartimento, pasar al tubo principal e impulsar el proyectil. La carga es empujada, no por los gases de la explosión, sino por el hidrógeno caliente comprimido, cuyas moléculas son lo suficiente rápidas para permitirle alcanzar la velocidad de escape.

El cañón utilizado por el Super High Altitude Research Project, impulsaba proyectiles a unos 10.000 kilómetros por hora, unas 9 veces la velocidad del sonido. No usaba pólvora para impulsar el pistón del tubo secundario, sino una mezcla de metano y aire comprimido hasta unas 55 veces la presión atmosférica, y luego detonada. El pistón pesaba 1 tonelada, y el proyectil surgía envuelto en llamas de hidrógeno que se quemaban en la atmósfera.  Sin embargo, su velocidad era insuficiente para llegar al espacio. Se necesitan velocidades 24 veces más altas que la del sonido para alcanzar una órbita circular de baja altitud, y 34 veces mayores para escapar completamente de la gravedad de la Tierra. John Hunter cree que una versión mayor de este monstruo, incrustada en la ladera de una montaña, podría lograrlo. ¿Tú que piensas?