Elevador al espacio
Hoy quiero platicarles sobre lo fascinantes que pueden ser los nanomateriales.
Cuando se habla de llegar al espacio, sabemos que transportar cada kilogramo de carga cuesta decenas de miles de dólares, lo que ha hecho poco viable muchas misiones espaciales, como el regresar a la Luna. Además, hay que proteger a los tripulantes de las enormes fuerzas a las que se ven sometidos para escapar de la gravedad terrestre.
“Despegar un cohete nunca será como un viaje en tren, por lo tanto, su adopción masiva se verá limitada bajo estas condiciones.”
Esta es la conclusión de Yuri Artsutanov en su artículo de 1960, Al Cosmos en un tren eléctrico, donde se preguntaba: “¿Será el cohete el único método para lograr viajes cósmicos?”
La pregunta es interesante, sobre todo si consideramos que grandes empresas como SpaceX, Blue Origin o Virgin Galactic están buscando que el turismo espacial sea una realidad. Estas empresas dependen de naves espaciales que, aunque presentan grandes innovaciones, siguen estando sujetas a las limitaciones que Artsutanov mencionó. Sin embargo, algunos soñadores han considerado otras opciones, y entre estas ideas, se ha planteado la posibilidad de un elevador al espacio.
El desafío de construir un elevador al espacio
La idea del elevador al espacio suele ser inmediatamente criticada. No hay manera de construir una torre con la altura necesaria para que un elevador llegue desde la superficie terrestre hasta el espacio. La limitación más mencionada es la profundidad y tamaño de los cimientos, que deberían soportar el peso de una estructura tan colosal.
Para ponerlo en perspectiva, el edificio más alto que se ha diseñado (aunque no será construido) es el X-SEED 4000, de 4 kilómetros de altura y una base de 6 kilómetros de diámetro. Imaginen los cimientos necesarios para un elevador espacial que alcance los 100 kilómetros de altura: tendrían que ser de más de 200 kilómetros de diámetro.
Representación del edificio X-SEED 4000, frente al Burj Khalifa, el edificio más alto del mundo actualmente.
Solución ingeniosa: Sin cimientos
¿Esto significa que es imposible? Artsutanov cree que no. Su propuesta es simple: que el elevador no tenga cimientos. Imaginemos que la Tierra es una persona que sostiene una cuerda con un objeto atado en el extremo. Al girar, la cuerda se mantiene paralela al suelo debido a la fuerza centrífuga. De la misma manera, nuestro elevador espacial necesitaría un anclaje para mantener la cuerda unida a la Tierra y un contrapeso en el otro extremo. Dado que la velocidad de rotación de la Tierra es constante, el contrapeso se mantendría a una distancia fija, permitiendo que los vagones se desplazaran por el cable.
El obstáculo del cable
Lamentablemente, este diseño enfrenta un nuevo desafío: el cable. El cable que conectaría la Tierra con el espacio debe soportar una tensión teórica de 382 GPa (Giga Pascales). El acero más resistente que podemos fabricar soporta alrededor de 1 GPa, muy por debajo de lo necesario. De hecho, la propia masa del cable sería tan grande que se rompería antes de estar conectado.
Sin embargo, los avances en nanotecnología pueden ofrecer soluciones. Los nanotubos de carbono, un material extremadamente fuerte, podrían ser la clave.
Nanotubos de carbono: Una posible solución
Los nanotubos de carbono son un alótropo del carbono. Un alótropo es la forma en que un elemento puede organizarse, dando lugar a diferentes propiedades. Los alótropos más conocidos del carbono son el diamante y el grafito. Un nanotubo de carbono es una hoja de átomos de carbono enrollada sobre sí misma, formando un tubo hueco.
Este material tiene propiedades fascinantes: un hilo de nanotubos podría tener una fuerza tensil de aproximadamente 10 GPa, diez veces más resistente que el acero y mucho más ligero. Teóricamente, una cuerda de nanotubos para un elevador espacial necesitaría un diámetro de 1.6 metros y pesaría solo unas pocas centenas de toneladas.
¿Por qué los nanotubos son tan fuertes?
La clave de su resistencia está en los enlaces covalentes entre los átomos de carbono, que son extremadamente fuertes. A diferencia del grafito, donde las capas de átomos pueden deslizarse, en un nanotubo no hay capas que se desplacen. Para romperlo, se necesita aplicar una fuerza suficiente para romper los enlaces carbono-carbono.
Mismo material: Carbono, Diferentes arreglos (alótropos)
¿Es posible construir un elevador espacial hoy?
Tristemente, la respuesta es no. A pesar del potencial teórico, aún estamos lejos. La síntesis de nanotubos sigue siendo limitada, y solo podemos producirlos en longitudes de algunos centímetros.
Nanotubos de carbono verticalmente alineados de aproximadamente 13 micrómetros de largo y 10 nanómetros de ancho
Como anécdota, trabajé en el laboratorio del Dr. Terrones en PennState, uno de los mayores expertos en el tema. En nuestros mejores resultados, logramos tubos de 2 a 3 centímetros de largo, muy lejos de la longitud necesaria. Además, los nanotubos que se producen hoy contienen defectos e impurezas que afectan sus propiedades. A pesar de estas limitaciones, la nanotecnología sigue desafiando nuestras capacidades creativas.