Reentrada en la atmósfera

La reentrada en la atmósfera de los cohetes espaciales

¿Por qué los cohetes espaciales "arden" cuando regresan a la Tierra? Ese instante recibe el nombre de "reentrada" y sucede cuando las naves espaciales, que han estado orbitando nuestro planeta, se encuentran con la atmósfera: la parte frontal de la nave sufre un enorme aumento de temperatura hasta llegar a ponerse al "rojo vivo". De forma coloquial, suele decirse que dicho fenómeno se produce por efecto del "rozamiento" de la nave con el aire, pero, ¿Siempre sucede así? ¿Cuál es la causa de dicho fenómeno? ¿Podría evitarse?Es el mismo fenómeno que sufren los meteoritos, bólidos y demás objetos que tienen la "desgracia" de rozar con nuestra atmósfera: su temperatura aumenta hasta alcanzar miles de grados celsius y, por lo general, terminan consumiéndose (ardiendo) hasta que apenas queda nada de ellos cuando tocan el suelo. Para soportar temperaturas tan altas, las naves espaciales deben ser dotadas de una superficie muy resistente a la temperatura, normalmente compuestos cerámicos de alto rendimiento en forma de "baldosas". Lo explicaremos usando preguntas y respuestas:

1- A QUÉ VELOCIDAD ENTRAN LOS METEORITOS EN NUESTRA ATMÓSFERA?

Normalmente, la mayoría de los meteoritos catalogados hasta la fecha, vienen con una velocidad cercana a los 70.000 km/h. Esta es la velocidad a la que suelen moverse por el espacio. No existen meteoritos que se acerquen a nuestro planeta a poca velocidad, porque, aunque hubiera un objeto distante que apenas se moviera a 5 km/h en algún lugar alejado del espacio, incluso a millones de kilómetros de distancia, la fuerza de atracción gravitacional de nuestro planeta "tiraría" de él de manera constante, y ya sabemos que una fuerza constante genera una aceleración constante, o lo que es igual, su velocidad aumentaría cada segundo. Para cuando el meteorito estuviera ya muy cerca del planeta, su velocidad habría alcanzado miles de kilómetros por hora

2- A QUÉ VELOCIDAD SE MUEVEN LAS NAVES ESPACIALES?

Todo depende del tipo de órbita en el que quieran viajar. Si hablamos de naves orbitando el planeta, como por ejemplo la estación espacial internacional ISS, que se encuentra a 400 km de altura, su velocidad media es de unos 28.000 km/h. Esta velocidad viene marcada por la altura a la que debe orbitar: si su velocidad disminuye, terminaría cayendo a tierra (u orbitando más abajo), y si aumenta, saldría disparada hacia el espacio profundo (u orbitando más lejos). Cuanto menor sea la velocidad, menor será la altura a la que orbite. De hecho, para que una nave en órbita, como un transbordador, caiga o baje a tierra, lo que debe hacer es reducir su velocidad por medio de unos cohetes de frenado. En este caso, la nave entrará en la atmósfera con una velocidad inferior a la que tenía en la órbita, pero aún así, seguirá moviéndose a varios miles de kilómetros por hora.

Los módulos de las naves Apolo se acercaban a la Tierra a unos 40.000 km/h y sus escudos térmicos debían soportar temperaturas de más de 3.000 ºC.

3- ¿QUÉ LE SUCEDE A UNA NAVE CUANDO VIAJA TAN RÁPIDO?

Cuando una nave viaja por el espacio vacío a 40.000 km/h, no le sucede nada. Como en el espacio no hay apenas aire, la superficie de la nave no roza con nada. De hecho, ni siquiera se frena. El problema comienza cuando la nave se encuentra con las moléculas del aire del planeta: millones de moléculas impactan contra la proa del cohete, generando una enorme fricción conocida como "Presión de Choque" (en el lado donde la nave corta el aire) y "Arrastre" (el rozamiento lateral). Las moléculas del aire se agolpan en el frontal de la nave comprimiéndose por efecto de la enorme velocidad a la se mueve el cohete. Cuando aumenta la presión de un gas, su temperatura también aumenta, y a miles de kilómetros por hora, el aire alcanza miles de grados celsius. Para poder soportar esta enorme temperatura, los ingenieros deben diseñar materiales muy resistentes hechos con compuestos cerámicos: el acero más resistente podría llegar a fundirse en apenas unos segundos.

Los transbordadores espaciales que regresan de la ISS, comienzan a sentir el calor de la reentrada, más o menos cuando se encuentran a unos 140 km de altura, después de haber caído unos 250 km desde la estación espacial.

En la imagen de arriba a la derecha, se aprecia la zona más negra del transbordador espacial, en su base y morro, que son las zonas que debe soportar mayor temperatura en la reentrada, y están forradas con plaquetas especiales antitérmicas.

4- POR QUÉ LAS NAVES NO USAN RETROCOHETES PARA REDUCIR SU VELOCIDAD, ANTES DE ENTRAR EN CONTACTO CON LA ATMÓSFERA?

Si la reentrada en la atmósfera genera temperaturas tan altas, parecería lógico pensar que es mejor frenar la nave antes de que entre en contacto con el aire. Pues bien, frenando la nave hasta una velocidad mucho menor, ciertamente se evitaría el problema de la fricción. Pero tengamos en cuenta que la nave viaja a más de 20.000 km/h, y pesa varias toneladas. Como en el espacio no hay aire, no podríamos usar paracaídas de frenado, por lo que sólo nos quedaría la opción de utilizar retrocohetes. Para que un transbordador de 2.000 Toneladas pase de 20.000 km/h a 5.000 km/h usando retrocohetes, haría falta aplicarle una energía (de frenado) de unos 4 billones de Julios !!! ... y esa cantidad de energía implicaría almacenar en sus depósitos millones de litros de combustible.

Como consecuencia, tanto práctica como económica, es mucho mejor frenar por medio de la fricción, que quemando combustible.

5- ¿QUÉ TEMPERATURAS SE ALCANZAN EN EL CASCO DE UNA NAVE ESPACIAL?

La temperatura que alcanza el casco depende de dos factores fundamentalmente: la velocidad y la densidad del aire.

Donde el aire es menos denso (en los límites superiores de la atmósfera) la fricción es menor, y por tanto, las naves no se calinetan tanto. En el punto donde el aire apenas existe, la fricción es tan pequeña, que la temperatura de la nave, por muy rápido que se mueva, se ve absorbida completamente por el frío del espacio, y por eso los satélites no llegan nunca a calentarse, por muy rápido que se desplacen.

Y por su parte, como ya hemos explicado hasta aquí, cuanta mayor sea la velocidad, mayor es el rozamiento y la temperatura.

Cuando las naves espaciales ascienden desde la plataforma de lanzamiento, parten del reposo (velocidad cero) y van acelerando paulativamente a medida que ascienden. Un empuje constante de los motores de la nave genera una aceleración constante, adoptando cada vez mayor rapidez. Afortunadamente, aunque la nave adquiera cada vez mayor velocidad, a medida que asciende, el aire es cada vez menos denso y por tanto, la mayor fricción debida al aumento de velocidad se va compensando con un descenso progresivo de la densidad del aire, de forma que nunca llega a calentarse demasiado (hasta un máximo de 300 ºC durante el ascenso). Cuando la nave ha adquirido su máxima velocidad, el aire casi ha desaparecido y el rozamiento es casi nulo. Esta es la razón por la que un cohete espacial no se calienta tanto durante su ascenso.

Sin embargo, cuando la nave cae a tierra, el efecto es contrario: En la órbita no parte del reposo, como sucedía al despegar, sino que se está moviendo ya a 20.000 km/h. A esa velocidad, la nave entra en la atmósfera, encontrándose con un medio cada vez más denso, de forma que su temperatura es cada vez mayor... y cuanto más se adentra en la atmósfera, mayor es el rozamiento.

Terminaremos mostrando una fascinante fotografía tomada desde la estación espacial internacional. Es la imagen del transbordador Atlantis que, terminados sus quehaceres en la ISS, abandonó el acoplaje para dirigirse de regreso a la Tierra. La fotografía capta el momento en el que el transbordador entra en contacto con la atmósfera terrestre y se "enciende".

FINALMENTE, añado un texto reciente junto con unos gifs animados extraídos de la NASA, donde se explica lo que ve un astronauta en el momento de la reentrada en la atmósfera:

Lo que ven los astronautas en su reentrada a la Tierra

Pero lo más divertido está por llegar. "Al final de la reentrada en la atmósfera empiezas a escuchar el ruido del viento y estás casi rompiendo la barrera del sonido", explica el astronauta de la ESA Frank De Winne. "Y es sobre los 10 kilómetros que el paracaídas se tiene que abrir", añade. "Es un momento crítico y es uno de los pocos momentos en que los tripulantes no tenemos que hacer nada, es un sistema casi automático. (...) Es también un momento muy violento. Puedes imaginar esta cápsula de 2.000 kilos que está llegando a la velocidad del sonido a través de la atmósfera, y de pronto tienes un paracaídas que se abre en un lado y que tira de ti con una pequeña cuerda. Es casi como un yoyó. Ves la cápsula yendo para todos los lados, es mucho peor que una montaña rusa porque se mueve en todas las direcciones".