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Ha empezado la cuenta atrás en Japón para construir el ascensor espacial con innovación abierta

Desde las misiones Apolo de los años 60, tan solo unos 500 astronautas han superado la barrera de los 100 kilómetros en el espacio. Este año, con la llegada del turismo espacial comercial de la mano de Virgin Galactic, muchas personas más y también quienes no sean astronautas, podrán ver la Tierra desde arriba. Blue Origin es un fabricante aeroespacial y empresa de vuelos espaciales creada por Jeff Bezos, fundador de Amazon, que tiene previsto empezar a vender billetes para viajes espaciales este año.

Si bien en el futuro podremos ver la Tierra desde el espacio pagando una cuantiosa suma de dinero, experimentar la gravedad cero durará tan solo unos minutos. ¿Podrá convertirse ésta en una experiencia posible para todo el mundo sin formación específica y que dure varias horas? Para ello hay ya hoy en Japón investigadores que estudian la posibilidad de desarrollar un “ascensor espacial” que permitiría minimizar los costos y el impacto medioambiental, contrariamente a los cohetes tradicionales de alto consumo de combustible.

El ascensor espacial es un vehículo eléctrico llamado también “escalador” que sube y baja por un anclaje entre la Tierra y un satélite en órbita geoestacionaria, utilizando otro anclaje externo para equilibrar con fuerza centrífuga. La longitud total del anclaje es de 100.000 kilómetros.

Hasta 1991 conseguir un material lo suficientemente resistente para construir el anclaje era pura ciencia ficción, hasta el descubrimiento por parte del físico  Dr. Sumio Iijima del mecanismo nanotubo de carbono, un material lo suficientemente ligero y en teoría bastante fuerte para dicho anclaje. En 2012 Obayashi Corporation anunció el plan de construcción del ascensor espacial, para conectar la Tierra y el espacio antes de 2050.

Prueba de estudio: desarrollo del Precision Raptor

Para servir de inspiración a jóvenes científicos y para promover el concepto del ascensor espacial, se lanzó el concurso EUSPEC (European Space Elevator Challenge) en la Universidad Técnica de Múnich en 2011, 2012, 2016 y 2018. El equipo Raptor de la Universidad de Nihon ha participado en los cuatro concursos y está formado por Kaishu Koike y Naoki Arakawa. Ambos son estudiantes de cuarto año e integrantes del laboratorio Aoki, dirigido por Yoshio Aoki, profesor del departamento de ingeniería de precisión y maquinaria, Facultad de Ciencia y Tecnología.

El equipo Raptor: Kaishu Koike (a la izquierda; control diseño de circuitos, programación) y Naoki Arakawa (ingeniería mecánica). Gentileza de Team Raptor.
 
Yoshio Aoki, del departamento de ingeniería de maquinaria de precisión, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad de Nihon. Gentileza de Yoshio Aoki.

El equipo ha trabajado haciendo cálculos de resistencia, durabilidad y seguridad para construir estructuras mecánicas. También ha promovido la investigación para el ascensor espacial.  En el concurso de 2019, el equipo Raptor obtuvo logros de forma generalizada en la Clase Avanzada y ganó premios en las categorías de Seguridad, Calidad en la Construcción e Innovación. Cada equipo desarrolló un anclaje que fue evaluado en términos de velocidad, eficiencia y fiabilidad.

Para construir el escalador, el equipo hizo un modelado de piezas usando software de CAD y ensamblándolas después, ajustando durante el proceso. Koike comenta: “Creamos un armazón en torno al motor de propulsión, posicionamos el motor al mismo tiempo que estudiábamos el método de transmisión y modelamos e insertamos un engranaje de ruedas y rueda cónica. La manera de decidir la forma fue ensamblando primero las partes grandes para pasar gradualmente a las más pequeñas”.

La clave para mantener la velocidad con el máximo de ocho cargas útiles de 1,1 kilos cada una fue conseguir que el escalador fuera lo más ligero posible, empleando una CNC de tres ejes para el maquinado. Koike comenta que “el diseño tipo panal de miel permitió que el armazón principal fuera lo más hueco posible, aligerando así el peso en un 60 por ciento al mismo tiempo que conseguíamos suficiente rigidez y un aspecto atractivo”.

Exterior del Raptor, presentado en Autodesk Fusion 360. Gentileza de Team Raptor.
Imagen transparente del Raptor que permite ver su estructura interna de panal. Gentileza de Team Raptor.
 
La impresión 3D de las cápsulas externas del Raptor se basó en el radomo (protección del radar) de un avión.

En el concurso se tuvieron en cuenta cuatro parámetros: cantidad de cargas útiles, velocidad, fiabilidad en el ascenso a una altura predeterminada (al igual que descenso en condiciones seguras) y el menor consumo energético posible. Aoki indica que “los fuselajes estaban terminados a medias, y conseguir un diseño que ofreciera una respuesta a todo lo anterior era bastante difícil”.

Aoki comenta que el equipo “diseñó el Raptor muy rápido al mismo tiempo que hacía simulaciones”. Consiguió la velocidad máxima de 110 kilómetros por hora e, incluso cuando se cargó con el peso máximo, el Raptor mantuvo la velocidad y un mecanismo de frenado eficaz. “Cabe destacar especialmente el éxito de haber logrado parar exactamente a 100 metros gracias a la tecnología de control”, añade.

Cuando el equipo Raptor llevó a cabo la prueba operativa no se consiguió la relación de reducción de velocidad apropiada con el primer diseño, cosa que no permitió subir ocho cargas útiles. El equipo hizo cambios justo antes del concurso, recortando el armazón y rehaciendo las marchas. El diseño y CAM se combinaron con Autodesk Fusion 360; cuando se hicieron los cambios de forma en el modelo, el equipo pudo rápidamente recortar una nueva pieza, ahorrando tiempo.

Un enfoque híbrido

El Consejo Científico de Japón propone un enfoque de “ascensor espacial híbrido”, lo que supone desarrollar de forma simultánea un concepto para construir en la Tierra y otro en el espacio. El departamento de ingeniería mecánica de precisión impulsará el proyecto para desarrollar el escalador en tierra y ayudará también en la investigación para la construcción del ascensor espacial en el espacio exterior.

Igualmente, un proyecto de desarrollo conjunto entre la Universidad de Shizuoka y la Corporación Obayashi llamado STARS-Me (Space Tethered Autonomous Robotics Satellite-Mini elevator) pretende mover un pequeño escalador en anclaje uniendo dos pequeños satélites o CubeSats. El laboratorio Aoki está asumiendo las tareas para el mecanismo de despliegue del anclaje y para el desarrollo de diseño del escalador.

japan space elevator obayashi corp
Representación gráfica del recién diseñado ascensor espacial de la Corporación Obayashi a construirse antes de 2050. Gentileza de la Corporación Obayashi.

Como se trata de un ámbito desconocido, aparte de los asuntos tecnológicos habrá que resolver otros problemas antes del lanzamiento, algo que podría producirse en un futuro no muy lejano.

Aoki comenta que “todavía no contamos con planes que permitan debidamente incluir medidas jurídicas y de seguridad para tratar ciertos asuntos, tales como el terrorismo. Son cuestiones difíciles que tendremos que tener en cuenta. Si conseguimos resolverlos, y si más corporaciones nos apoyan, creo que será posible tener un ascensor espacial operativo para transporte en la década de 2030”.