Preparar un viaje al espacio toma meses, requiere un gasto impresionante de combustible para acelerar a la nave lo suficiente para escapar de la gravedad terrestre, además, hay que preparar y proteger a los tripulantes de las enormes fuerzas a las que son sometidos, por lo que despegar un cohete nunca será como un viaje en tren, y por lo tanto su adopción masiva se verá limitada a estas condiciones; esta es la conclusión de Yuri Artsutanov en su artículo de 1960 Al Cosmos en un tren eléctrico, en éste artículo se preguntaba “¿Será este el único método para lograr viajes cósmicos?”
La pregunta es muy interesante, y resulta atractiva si consideramos que grandes empresas como Space X, Blue Origin o Virgin Galactic están buscando que el turismo espacial sea una realidad. Estas empresas dependen del uso de naves espaciales, naves que presentan grandes innovaciones en su forma de llevar a los turistas al espacio, pero que en la realidad siguen estando sujetas a las limitantes descritas anteriormente citando a Artsutanov. Sin embargo, algunos soñadores se han planteado otras opciones, desde variantes de un globo aerostático, hasta naves anti-gravitacionales, entre estas, incluso se ha hablado de un elevador al espacio.
La idea del elevador al espacio inmediatamente es criticada por expertos en el tema de megaestrcuturas, simplemente no hay manera de construir una torre con la altura necesaria para permitir el paso del elevador desde la superficie terrestre hasta el espacio. Las limitantes son muchas, pero la más mencionada es la profundidad y tamaño de los cimientos, y la fuerza que tendrían que soportar estos causada por el peso de la estructura. En teoría se podría continuar creciendo simplemente los cimientos en forma de pirámide, pero como la tierra es curva, esto supondría un problema. Actualmente el edificio ya diseñado (aunque jamás se vaya a construir) más alto del mundo es el X-SEED 4000, un edificio de 4 kilómetros de alto y una base de 6 km de diámetro, así, el ir creciendo el edificio implicaría cimientos cada vez más y más grandes que la altura del edificio. Partiendo de esto, ¡imagina el tamaño que tendrían los cimientos del edificio necesario para albergar al elevador espacial!, es importante recordar que, para considerarse espacial, tendría que llegar a una altura de 100 km sobre el nivel del mar, en teoría el edificio para soportar semejante estructura necesitaría cimientos de más de 200 km de diámetro, pero esto se complicaría por la curvatura terrestre.
¿Lo anterior implica que sería imposible lograr un elevador al espacio? Artsutanov dice que no, y plantea un elevador al espacio con algunas modificaciones, su solución al problema de los cimientos es simple, ¡que el edificio no tenga cimientos! Imaginemos que la tierra somos nosotros, si tomamos una cuerda con nuestras manos de un extremo, le ponemos algo con cierto peso en el otro extremo y comenzamos a girar, al alcanzar cierta velocidad la cuerda se mantendrá paralela al piso y constante en su posición respecto a nosotros.
De esta manera el peso no está recayendo en nosotros (que recordemos, estamos representando a la tierra), al contrario, esta siendo jalado de nosotros, así que en lugar de cimientos, nuestro elevador espacial necesitaría anclaje para mantener la cuerda unida a la tierra, y al ser constante la velocidad de rotación de la tierra, el elevador se mantendría suspendido siempre a la misma altura y con la misma fuerza, por lo que podríamos poner vagones montados sobre el cable que pudieran simplemente subir y bajar.
Pareciera que ya se ha resuelto el problema, ¿por qué no tenemos el elevador al espacio entonces?, bueno este diseño tiene una nueva limitante, el cable necesario tiene una característica muy importante, debe soportar el ser sometido a un estrés de 382 GPa, (Giga Pascales, el Pascal es la unidad que mide la presión sobre una superficie). El cable de acero más resistente que podríamos construir soportaría alrededor de 1GPa, bastante por debajo de lo que necesitamos, de hecho, la masa del propio cable con la longitud que debiera de tener, sería suficiente para romperlo, sin estar siquiera conectado al contrapeso necesario. Fin del sueño del elevador. ¿O no?
Los materiales avanzados, desarrollados empleando nanotecnología nos pueden ofrecer alternativas cientos de veces más resistentes que el acero, por ejemplo, para resolver este problema, podemos hacer uso de un material muy interesante, el nanotubo de carbono.
Los nanotubos de carbono son un alótropo del carbono, un alótropo es la forma en que se acomodan los átomos de un elemento puro, los alótropos del carbono de los que quizá has escuchado son el diamante y el grafito, ambos hechos totalmente de carbono pero con propiedades muy diferentes; de esta forma un nanotubo de carbono está hecho de una hoja de átomos de carbono doblada sobre si mismo cerrando el tubo, que puede ser de una o varias capas y que tiene como característica el ser hueco en su interior. Así el mismo elemento, acomodado en varias capas de hojas, es un material muy frágil, y muy económico (el grafito), en cambio densamente empaquetado en una estructura cristalina se convierte en el material más duro aunque frágil (el diamante) y si la estructura forma un tubo hueco de algunos nanómetros de diámetro, se comporta como un material muy fuerte, excelente conductor del calor y la electricidad.
Un hilo de unos pocos nanotubos (con algúnos nanómetos de diámetro) pudiera tener una fuerza tensíl de aproximadamente 10 GPa, 10 veces más resistente que el acero y mas cerca de lo que deseamos para el elevador espacial, además tiene la ventaja de ser sumamente ligero, por lo que su propio peso no sería un problema a la longitud necesaria para el elevador. Para mejorar su fuerza tensíl podemos hacer cuerdas de estos hilos, tal como una cuerda tradicional, al tejer los hilos en una sola cuerda, tenemos una resistencia mayor que con el hilo solo, por lo que la cuerda de nanotubos de carbono necesaria para darnos una fuerza tensíl superior a los 382 GPa, necesarios para el elevador, tendría un diámetro de 1.6 m, estaría conformada por centenas de billones de nanotubos y pesaría sólo unas centenas de toneladas.
¿Por qué el nanotubo tiene esa fuerza?
Anteriormente comparamos al grafito con el nanotubo de carbono, en ambos casos hablamos del mismo elemento, pero su arreglo molecular le da propiedades muy diferentes, ¿por qué?
La respuesta se encuentra en sus átomos, los enlaces covalentes carbono – carbono son sumamente fuertes, de hecho son de los más fuertes conocidos, pero el arreglo molecular permite que las fuerzas se trasladen de forma diferente, por ejemplo el grafito es tan frágil y suave por que está conformado por hojas, por lo tanto al aplicarle una fuerza esta no rompe los enlaces C-C, si no que desplaza las hojas de grafito una sobre otra. En el caso del nanotubo, no hay opciones para que la fuerza desplace capas u hojas, así que simplemente o se le aplica la fuerza necesaria para romperlo o no pasa nada. De hecho, si tomamos una sola hoja de las que conforman al grafito, tenemos otro material muy interesante, el grafeno, del que hablaremos en otra entrada, pero que también tiene una fuerza excepcional.
Con toda sinceridad hay que decirlo, aunque en teoría sea posible lograrlo, aún hay muchas limitantes; la síntesis de nanotubos de carbono aun está en pasos muy básicos, pues se pueden lograr de algunos centímetros de largo, pero es muy poco frente a lo necesario para el elevador espacial, además en la síntesis no se obtienen materiales perfectos, la realidad es que se trata de nanotubos que contienen de defectos e impurezas, lo que provoca que las propiedades teóricas aún no sean alcanzadas, por otro lado el costo de producción es bastante alto, por todo lo anterior, el elevador al espacio aún es un sueño que nos permite retar nuestras capacidades creativas, pero se encuentra lejos de ser una realidad; sin embargo es una buena excusa para hablar de nanotubos de carbono y las increíbles propiedades que la nanotecnología nos puede ofrecer.
