Simulando la gravedad en el espacio

La Tierra no sólo nos da protección frente a las muchas amenazas provenientes del espacio, también es el único lugar que conocemos (por ahora) en el que hay vida. Sólo tiene un único inconveniente… Estamos acostumbrados a vivir bajo los efectos de su gravedad y sin ella no se nos da demasiado bien movernos (aunque los astronautas de la Estación Espacial Internacional se lo pasan en grande de cuando en cuando). ¿Cómo podemos simular la gravedad de la Tierra en el espacio?

La importancia de la gravedad

Sir Isaac Newton. Ese señor que, al parecer, ya allá por el siglo XVII, decidió convertirse en el primer sujeto en ocultar información. No tenía nada mejor que hacer, al parecer (según los conspiracionistas).

Sir Isaac Newton. ¿Sabías que, en realidad, parece ser que nunca le llegó a caer una manzana en la cabaeza? (aunque sí estaba bajo un manzano).

Nuestros cuerpos son el resultado de millones de años de evolución bajo los efectos de la gravedad que genera la Tierra. Nos hemos adaptado a vivir contando con ella, y no llevamos demasiado bien vivir en un entorno con gravedad cero o microgravedad (como es el caso de la Estación Espacial Internacional), donde sabemos que los astronautas pierden masa ósea y masa muscular (especialmente en las piernas y espalda, las partes responsables de soportar nuestro propio peso).

La circulación de líquidos por nuestro cuerpo (como la sangre) también se ve afectada. La gravedad la distribuye hacia la parte baja del cuerpo, y en su ausencia se ve redistribuida hacia la parte superior, provocando que los astronautas tengan la cara hinchada y las piernas más delgadas, y puede provocarles una sensación similar a la de la congestión nasal. El sistema cardiovascular funciona bastante bien por lo que sabemos, pero es posible que, debido a la ausencia de gravedad y la necesidad de menor trabajo por parte del corazón, su tamaño se reduzca.

El astronauta Chris Hadfield en 2.012.  Crédito: Eviatar Bach

El astronauta Chris Hadfield en 2.012.
Crédito: Eviatar Bach

Del mismo modo, la ausencia de gravedad hace que los astronautas se vuelvan un poquito más altos porque los discos vertebrales no se ven sometidos a la compresión que ejerce la gravedad. Ese estiramiento de la columna vertebral puede provocar dolores de espalda. Por último (aunque hay muchos otros factores de los que podríamos hablar), nuestro sistema de equilibrio depende de la gravedad de la Tierra. Nuestro oído interno es sensible a la gravedad, y en su ausencia deja de funcionar como debería, lo que provoca desorientación, cinetosis espacial (un mareo en el espacio, dicho de manera más bonita) y pérdida del sentido de la dirección.

En definitiva, para los astronautas, que se entrenan durante años para estar en el espacio, es un cúmulo de inconvenientes y dificultades a las que adaptarse. Para el resto de los mortales, para qué engañarnos, es una situación bastante desagradable. Así que si queremos embarcarnos en largos viajes espaciales (a Júpiter, por poner un ejemplo), o en un futuro todavía lejano, queremos vivir en colonias espaciales, necesitamos simular el entorno de gravedad que experimentamos en la Tierra de alguna manera…

La gravedad natural

El comandante Chris Hadfield, en una intervención desde la Estación Espacial Internacional en 2.013. En comparación con la imagen anterior, su cara está sensiblemente hinchada por la ausencia de gravedad. Crédito: NASA

El comandante Chris Hadfield, en una intervención desde la Estación Espacial Internacional en 2.013. En comparación con la imagen anterior, su cara está sensiblemente hinchada por la ausencia de gravedad.
Crédito: NASA

He hablado en alguna ocasión de la gravedad artificial de pasada. La última vez, si no lo recuerdo mal, fue en el artículo sobre las colonias espaciales (en el que repasábamos los cilindros de O’Neill), pero nunca he hablado de cómo la provocamos y en qué se diferencia de la gravedad que experimentamos aquí en la Tierra. Así que, primero repasemos conceptos para asegurarnos de que todo está lo más claro posible.

La gravedad en la Tierra es producida por su propia masa. De una manera muy simplificada, podemos decir que la gravedad es el efecto de la curvatura que provoca la masa de la Tierra en el espacio. De modo que todo lo que pasa relativamente cerca del planeta se ve atraído hacia el centro del mismo por la deformación que ejerce nuestro planeta en el espacio. La animación debajo de este párrafo quizá sirva para ilustrarlo mejor.

Esta representación en 2 dimensiones ilustra cómo funciona la gravedad en nuestro entorno de 3 dimensiones. Crédito: NASA

Esta representación en 2 dimensiones ilustra cómo funciona la gravedad en nuestro entorno de 3 dimensiones.
Crédito: NASA

Nuestras naves espaciales no tendrían la masa suficiente para generar una curvatura en el espacio, así que nos podemos olvidar de generar algo similar a la gravedad que se da en la naturaleza. Así que lo único que podemos hacer es crear una especie de falsa gravedad que permita que podamos desarrollar nuestras actividades en el espacio con normalidad.

La aceleración constante para generar gravedad

La nave Hermes, de la película The Martian.  Crédito: 20th Century Fox

La nave Hermes, de la película The Martian.
Crédito: 20th Century Fox

La fuerza de la gravedad que sentimos es una aceleración hacia el centro de nuestro planeta de 9,8m/s2, o como quizá hayas oído en alguna ocasión 1G. Una forma de simular la gravedad en una nave sería por medio de la aceleración constante. Es decir, que acelerase alejándose de nuestro planeta a ese ritmo de 1G. La sensación sería exactamente la misma que si estuviésemos en suelo firme.

Con una aceleración de 1G, podríamos llegar a la Luna en sólo 3 horas: una hora y media de aceleración a ese ritmo, y una hora y media de deceleración, sin dejar de experimentar la gravedad de la Tierra. Si fuésemos a Júpiter, entonces necesitaríamos 160 horas (80 de aceleración y 80 de deceleración). En este caso, a mitad del viaje ya estaríamos desplazándonos a una velocidad de 2.800 kilómetros por segundo, un 1% de la velocidad de la luz.

Sin embargo, este método tiene serios inconvenientes. La mayor distancia que podríamos cubrir sería un año-luz, que recorreríamos en dos años, uno de aceleración, y otro de deceleración. En mitad de nuestro recorrido, estaríamos viajando a la velocidad de la luz, así que esa sería nuestra distancia máxima con este sistema, ya que nada puede viajar más rápido que la luz. Además, cuanto más cerca estemos de la velocidad de la luz, mayor es la cantidad de energía que necesitamos para seguir acelerando. Es decir, aunque es una solución muy elegante, es prácticamente imposible pensar en llevarlo a la realidad.

Gravedad artificial con menos energía

Éste es el concepto artístico de un Toro de Stanford. Un hábitat espacial que podría albergar de 10.000 a 140.000 personas. Fue propuesto en 1.975. Crédito: Donald Davis - NASA Ames Research Center

Éste es el concepto artístico de un Toro de Stanford. Un hábitat espacial que podría albergar de 10.000 a 140.000 personas. Fue propuesto en 1.975.
Crédito: Donald Davis – NASA Ames Research Center

Sólo tenemos una forma de generar gravedad artificial que no requiera tanta energía. Crearla por medio de una fuerza centrípeta, es decir, por medio de un giro. Literalmente, cogemos nuestra nave (o nuestra colonia espacial) y la hacemos girar a una velocidad constante. Gracias a la inercia, todo lo que estuviese en el interior de la nave intentaría volar hacia el espacio, pero las paredes de la nave les mantendrían dentro.

Aun así, no es un sistema perfecto. A diferencia de la gravedad real, que nos empuja hacia el centro del planeta, esta gravedad artificial nos empuja fuera del eje de rotación. Además, es preferible que construyamos naves con tamaños muy grandes. Cuanto más grandes, mejor, porque en una nave que tenga un eje demasiado pequeño, la diferencia de gravedad que experimentaríamos entre la cabeza y los pies sería muy significativa, dificultando nuestros movimientos en el interior de la estructura.

La estación espacial de la película Elysium. Crédito: Columbia TriStar Marketing Group

La estación espacial de la película Elysium.
Crédito: Columbia TriStar Marketing Group

Un anillo más grande necesitará una velocidad de rotación más baja, lo que también nos permitirá reducir los síntomas producidos por la fuerza de Coriolis (mareos, náuseas, desorientación…). En concreto, se cree que a menos de dos revoluciones por minuto, una persona en el interior de la nave no debería experimentar ninguno de los síntomas, aunque ha habido casos de personas que han demostrado ser capaces de adaptarse a ritmos de rotación de hasta 23 vueltas por minuto sin mostrar ningún efecto adverso.

Por tanto, para que sea cómodo, deberíamos construir una nave con forma de anillo que posea un radio de, al menos, 250 metros. Con ese tamaño (medio kilómetro de diámetro), bastaría con dar dos vueltas por minuto sobre sí mismo para que experimentásemos algo similar a 1G en su interior y mitigar por completo (o casi) los efectos de la fuerza Coriolis. Aunque es complicado, podríamos construir una nave así con la tecnología de la que disponemos hoy día, y nos permitiría explorar el espacio sin tener que enfrentarnos a todos los inconvenientes de la microgravedad que he comentado al principio de este artículo.

Ejemplos en la ciencia ficción

Un concepto de estación espacial con gravedad artificial, creado por la NASA en 1.969. Crédito: NASA

Un concepto de estación espacial con gravedad artificial, creado por la NASA en 1.969.
Crédito: NASA

Hay multitud de naves con secciones rotacionales (cuando no es toda la estructura en sí) en la ciencia ficción. El ejemplo más reciente es el la nave Hermes que, en la película Marte (The Martian), sirve para transportar a los astronautas de la órbita de la Tierra a la del planeta rojo. Hay otros, como la estación espacial de la película Elysium, la nave Discovery 1 de Una Odisea en el espacio, la estación espacial de Interestelar (que es un cilindro de O’Neill, literalmente), la escuela de batalla de El juego de Ender. Podría seguir, pero la lista sería de lo más extensa. Por cierto, por tamaño, la palma se la llevaría Mundo Anillo con un diámetro muy similar al de la órbita de la Tierra…

En definitiva, aunque de momento no parece haber planes en firme, parece que las naves que construyamos en el futuro, en las que queramos tener algo similar a la gravedad de la Tierra, tendrán que tener una sección que rote… (si no toda la nave en sí).

Referencias: NASA, Wikipedia, Universe Today

Alex Riveiro

Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la astronomía en Al-Andalus.

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15 Respuestas

  1. Un Astronauta vestido con un traje magnético dentro de una cámara de cobre si se mueve enfrentará una resistencia denominada efecto Lenz (imán dentro de una bobina – ley de Lenz)

  2. Aborash dice:

    Con lo de esta forma de “gravedad” en estaciones espaciales, lo que se haría es andar por las paredes, en vez de por el suelo, ¿no?

  3. Roberto dice:

    Hola Alex (y compañía)

    En referencia a este tema de la simulación de gravedad por giro y fuerza centrípeta me surgen varias dudas que no he conseguido resolver en ninguna parte, y que me gustaría me ayudaran a despejar científicamente.

    Tomo como referencia o ejemplo una colonia espacial O´Neil, de gran tamaño y con gran volumen de aire en su interior.

    Para los objetos ‘pegados’ o en contacto con el suelo de la nave, sus comportamientos aparentemente serán los mismos que si estuvieran bajo la gravedad terrestre, pero en la vida cotidiana también hay mucha actividad ‘despegada’ del suelo. Y dudo de que en una gravedad artificial por giro y fuerza centrípeta todos los comportamientos de los objetos en todas las situaciones sean iguales que en la tierra. Y aquí vienen mis dudas:

    • Cómo afecta a los gases:
    o Hay densidades distintas de aire según nos situamos más cerca o lejos del punto de rotación? O todo el aire acaba aplastado contra el ‘suelo’?
    o Los gases giran a la misma velocidad que el resto de la nave? Si no es así, en la nave habría una continua brisa. Sería molesta? (aunque una nave de 16km de diámetro propuesta por O’Neil rote a 0.33 veces por minuto, la velocidad del giro en su base sería superior a los 1000Km/h. Y para 250m de diámetro, el ejemplo del artículo, la nave giraría a 178km/h https://www.artificial-gravity.com/sw/SpinCalc/SpinCalc.htm ).
    o Si hay condensación suficiente las gotas se precipitan al suelo (llueve), o las gotas quedan flotando sin llegar a caer? O sólo ‘llueve’ cerca del ‘suelo’?

    • Cómo afecta a los objetos cercanos al suelo, pero no fijos al suelo:
    o Caen en vertical, describen una curva al caer (en sentido contrario al giro), o se quedan suspendidos en el aire hasta que acaban golpeándose con algo?
     La manzana que se suelta del manzano.
     La hoja muy ligera que se suelta del árbol.
     La pelota que tiramos al aire.
     Una flecha disparada en vertical.

    • Cómo afecta a los objetos voladores cercanos al suelo:
    o Un avión, un pájaro, un insecto. Se liberarán del efecto de la fuerza centrípeta una vez que han volado lo suficiente? Si es así, podrían quedarse suspendidos y flotando en el aire?

    Evidentemente, si en alguno o varios de estos casos el comportamiento no es el mismo que en la tierra, las diferencias entre vivir aquí o en el espacio se vuelven bastante interesantes e inesperadas (no he podido encontrar literatura al respecto).

    Muchas gracias a todos.

    • Armando dice:

      Que interesantes cuestionamientos…. Lástima que Alex ya no contesta 🙁

    • La verdad es que algunas de las preguntas son bastnate complicadas de contestar, al menos hasta donde alcanza mi conocimiento, claro, pero lo intentaré 🙂

      • Cómo afecta a los gases:
      o Hay densidades distintas de aire según nos situamos más cerca o lejos del punto de rotación? O todo el aire acaba aplastado contra el ‘suelo’?
      o Los gases giran a la misma velocidad que el resto de la nave? Si no es así, en la nave habría una continua brisa. Sería molesta? (aunque una nave de 16km de diámetro propuesta por O’Neil rote a 0.33 veces por minuto, la velocidad del giro en su base sería superior a los 1000Km/h. Y para 250m de diámetro, el ejemplo del artículo, la nave giraría a 178km/h https://www.artificial-gravity.com/sw/SpinCalc/SpinCalc.htm ).
      o Si hay condensación suficiente las gotas se precipitan al suelo (llueve), o las gotas quedan flotando sin llegar a caer? O sólo ‘llueve’ cerca del ‘suelo’?

      La presión del aire sería la misma dentro de todo el recinto. Los gases giran con el resto de la estructura, así que no habría una brisa continua. Podría haber condensación y las gotas se podrían precipitar al suelo. Dependiendo de la altura de la colonia, su caída podría ser una curva muy pronunciada, o casi recta, desde la perspectiva del observador, por el efecto coriolis.

      • Cómo afecta a los objetos cercanos al suelo, pero no fijos al suelo:
      o Caen en vertical, describen una curva al caer (en sentido contrario al giro), o se quedan suspendidos en el aire hasta que acaban golpeándose con algo?
       La manzana que se suelta del manzano.
       La hoja muy ligera que se suelta del árbol.
       La pelota que tiramos al aire.
       Una flecha disparada en vertical.

      Depende de la altura. Si están lo suficientemente lejos del suelo de la estación, describirán una pequeña curva al caer. La hoja muy ligera caería exactamente igual, moviéndose con las corrientes de aire (si las hubiera porque tengamos un sistema para crear diferentes condiciones atmosféricas). Una flecha disparada en vertical no caerá en vertical, describirá una pequeña curva por lo mismo. De nuevo, todo depende de que la colonia tenga la altura suficiente como para que se pueda apreciar el impacto del efecto coriolis.

      De hecho, se podría jugar a baloncesto, futbol, incluso beisbol, en una estación que simule 1g (la gravedad de la Tierra) con pequeñas diferencias respecto a lo que observamos en nuestro planeta.

      • Cómo afecta a los objetos voladores cercanos al suelo:
      o Un avión, un pájaro, un insecto. Se liberarán del efecto de la fuerza centrípeta una vez que han volado lo suficiente? Si es así, podrían quedarse suspendidos y flotando en el aire?

      Nunca se librarán del efecto de la fuerza centrípeta porque la rotación es constante. La pueden contrarrestar mientras aletean (se mueven), exactamente igual que en la Tierra. Pero si las aves dejan de aletear, dejarán de flotar en el aire porque en el interior de la estructura que rota hay una fuerza centrípeta empujándote siempre hacia el suelo.

      • Roberto dice:

        Muchas gracias Alex, por resolver mis dudas.

        Es gratificante saber que se pueden simular tan bien las condiciones de vida con gravedad en un entorno espacial, y hacer que la vida ‘allí fuera’ no sea tan diferente como ‘aquí dentro’.

        Y muy curioso también el efecto Coriolis y las trayectorias curvas, donde entiendo que un espectador sobre el ‘suelo’ de la ciudad espacial vería la caída de los objetos como prácticamente verticales, salvo que la ciudad fuese realmente grande, de varios Km de radio.

        Otra duda que tengo es si se ha teorizado cómo simular el campo magnético terrestre en una nave o ciudad espacial, para proteger a los habitantes de la radiaciones solares y espaciales. He buscado, pero no he conseguido encontrar literatura al respecto.

        • Hola Roberto,
          hasta donde llega mi conocimiento, nunca he oído nada sobre pruebas para simular el campo magnético. Sin embargo, para proteger a los habitantes de las radiaciones solares no hace falta campos magnéticos, simplemente blindaje metálico 🙂

          • Ramon Alvarez dice:

            Blindaje metálico si, pero con otros componentes. O’Neill propuso rellenar con regolito del suelo lunar el interior de la superficie del casco de sus ciudades espaciales, ya que el metal incrementa el efecto de algunos tipos de radiaciones ionizantes.

  4. Roberto dice:

    increíble!!
    ¡Gracias Alex!

  5. Josue dice:

    Jejeje Gracias

  6. Miguel Nasarre Budiño dice:

    En el apartado de aceleración constante a 1G has cometido un error relativístico bastante común, siempre podrías tener la sensación de estar acelerando a 1G debido a tu percepción del espacio y el tiempo descrito por las transformaciones de Lorentz, aunque desde la tierra se vería como si la nave al llegar a velocidades cercanas a las de la luz cada vez viajara más despacio. Recuerda que se está aplicando una fuerza constante y por tanto la aceleración que se siente también lo es.

  7. Bonderman dice:

    Leído. Muy bueno, por cierto.

  1. 10 mayo, 2017

    […] muy lejano, el desarrollo de estaciones espaciales en las que se incorporen módulos donde podamos simular la misma gravedad que experimentamos en la Tierra, especialmente cuando nuestra especie comience a pensar en viajes, […]

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