El Programa Apolo fue un programa espacial tripulado llevado a cabo por los Estados Unidos entre 1961 y 1972 con el objetivo de lograr que el ser humano pisara la Luna. Doce hombres lo lograron, pero hicieron falta el trabajo de cerca de 400.000 personas y millones de dólares para conseguirlo.
Para poder ir a la Luna se tuvo que desarrollar una tecnología hasta entonces desconocida, pero a cambio se logró multitud de conocimiento técnico y científico que aún hoy en día sigue siendo beneficioso para todos nosotros.
En este artículo divulgativo explicaremos diez de los muchos aspectos relacionados con la ciencia, y en concreto con la física, que hubo que solucionar antes de emprender tamaña aventura.
1. Saturno V: un cohete para salvar la relación de masas entre la Tierra y la Luna
La relación entre las masas de la Tierra y de la Luna hace que, por cada kilogramo que se quiera hacer regresar de la Luna es necesario que despeguen de la Tierra más de 700 kg. Por tanto, para enviar hasta la Luna las 45 toneladas de la nave Apolo se necesitaba un lanzador cuya primera etapa fuera capaz de desarrollar 3400 tf (toneladas-fuerza) de empuje en el despegue.
2. El Descent Propulsion System y la importancia del centro de masas para poder alunizar
El módulo lunar (LM) era la nave encargada de aterrizar sobre la superficie. Para poder “bajar” a la Luna desde la órbita se encendía el motor de descenso (o DPS) para disminuir la velocidad y que las leyes de Newton y Kepler hicieran el resto. El encendido del DPS no se producía a máximo empuje durante el tiempo que duraba la maniobra, sino que empezaba a un 10% de ese valor máximo durante unos segundos, con el fin de que el sistema de control del vector de empuje pudiera orientar la tobera de forma que se alineasen la fuerza de propulsión y el centro de masas del módulo lunar.
3. ¿Cómo evitar el riesgo de quedar atrapado en una órbita alrededor del Sol?
La órbita inicial utilizada para ir a la Luna entrañaba un riesgo: la nave podía acabar dando vueltas alrededor del Sol. Además, ¿qué pasaría si ocurría un fallo total de las comunicaciones? La solución fue utilizar una trayectoria de retorno libre o automático, basada en viajar al Primer Punto de Lagrange (L1) del sistema Tierra-Luna. Esta trayectoria es, por definición, aquella que circunnavega la Luna y regresa a la vecindad de la Tierra sin mayores requisitos.
4. El problema de la comunicación a distancias lunares
La Luna está muy lejos, aproximadamente a 384.000 km de distancia. A esas distancias los radares no tenían ese alcance y la calidad de las comunicaciones en VHF y HF era muy baja. La solución se encontró en la Banda S Unificada (USB).
La Unified S-Band permitía que, con una sola señal en Banda S (entre 2 y 4 GHz), se integrasen todas las funciones de seguimiento de la nave (tracking), telemetría (datos de la nave y los astronautas), voz e incluso televisión. Para ello se moduló en fase (PM) la voz y los datos en subportadoras que se combinaban con la señal de seguimiento (2.287,5 MHz). Fue necesario, eso sí, crear una nueva red mundial de seguimiento con tres antenas de 26 metros de diámetro y varias más pequeñas de 9 metros.
5. ¿Cómo saber exactamente dónde está la nave Apolo y qué velocidad tiene?
Como se conocían los ángulos (acimut y elevación) con que estaban orientadas las antenas de las distintas estaciones de seguimiento, combinándolos con el resto de los datos obtenidos por las estaciones que estaban en contacto con la nave en ese momento, se podía calcular el lugar donde se encontraba la nave. El vector velocidad se computaba a partir de las velocidades radiales que medían también cada una de las estaciones de seguimiento mediante el efecto Doppler-Fizeau.
6. Los satélites de comunicación fueron una pieza clave para garantizar la seguridad de los astronautas
En las misiones Apolo había que mantener las comunicaciones y el flujo de datos de forma permanente mientras durase cada misión. Esto se hacía mediante las estaciones de la red de vuelos espaciales tripulados (MSFN). Sin embargo, el centro principal de control de la misión estaba en Houston (Texas) y hasta allí había que enviar todo el flujo de voz, datos y televisión en tiempo real. De esto se encargó la red NASCOM (NASA Communications) que estaba formada, sobre todo, por enlaces vía satélite. Para ello, la NASA necesitó contratar los servicios de la Compañía Telefónica Nacional de España (CTNE) en España con el fin de poder establecer esos enlaces gracias a los satélites INTELSAT que se fueron lanzando desde 1965.
7. Galileo tenía razón y el Apolo 15 lo demostró
Durante el Apolo 15, el comandante de la misión, David Scott, realizó un experimento muy sencillo sobre la superficie lunar: tomó un martillo y una pluma y los soltó, a la vez, desde la misma altura. Como allí no hay resistencia del aire, al estar esencialmente en vacío, la pluma tocó el suelo lunar en el mismo momento que el martillo, tal y como había concluido Galileo Galilei cientos de años antes.
8. En la Luna se hicieron muchos experimentos físicos
Todas las misiones que lograron posarse en la Luna entre julio de 1969 (Apolo 11) y diciembre de 1972 (Apolo 17) llevaron una serie de experimentos científicos para realizar en la superficie de la Luna. Los Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) constaban de sismógrafos, magnetómetros, espectrómetros de viento solar, detectores de iones supertérmicos, medidores del flujo de calor, medidores de la composición de la atmósfera lunar, detectores de polvo lunar, retroreflectores láser… Estuvieron funcionando y generando datos hasta finales de 1977.
9. Observatorios solares para proteger a los astronautas
Uno de los principales peligros para los astronautas que se aventuran a salir de la atmósfera terrestre son las erupciones solares que, a su vez, pueden generar súbitamente tormentas de protones, es decir, partículas cargadas muy perjudiciales para la vida. Por tanto, era necesario avisar rápidamente a los astronautas para que pudieran proceder con las medidas de protección. De esto se encargó la Solar Particle Alert Network (SPAN) o red de alerta de partículas solares que constaba de tres observatorios equipados, cada uno, con un telescopio óptico y un radiotelescopio. Uno de esos tres observatorios se instaló en la estación de NASA en Gran Canaria (CYI).
10. ¿Cómo superar los 3000 ºC que se alcanzan en la reentrada a la atmósfera terrestre?
El módulo de mando, a su regreso de la Luna, llegaba a la atmósfera con una velocidad cercana a los 40.000 km/h. La fricción con los gases generaba temperaturas cercanas a los 3000 ºC alrededor de la cápsula. Para impedir que todo el calor generado penetrara y destruyera la nave, se diseñó un escudo térmico de una resina epoxi fenólica que se iba desprendiendo en trozos pequeños los cuales se llevaban parte de ese calor.
REFERENCIAS
Breve historia de la carrera espacial, por Alberto Martos. Editorial Nowtilus (2009)
Apolo 11, por Eduardo García Llama. Editorial Crítica (2019)
ALSEP Termination Report. NASA (1979)
Apollo experience report – Thermal protection subsystem. NASA (1974)
“Y el hombre llegó a la luna. 11 retos superados que lo hicieron posible”, por Valeriano Claros Guerra. Revista BIT nº 213 (2019)
NASA Eclipse Web Site. Enlace
NASA Apollo Flight Journal. Enlace
Blog Eureka. Enlace
Blog MrGorsky. Enlace
Una idea sobre “10 curiosidades del Programa Apolo desde el punto de vista de la física”
Leyendo el artículo se comprende la enorme complejidad que supusieron estos viajes, en los que tuvo cabida desde la última tecnología hasta la más clásica de las leyes físicas, como la ley de la caída libre de Galileo. Próxima parada: Marte….