Els camins de l'espai

Ciència i tecnologia espacial

L’astronàutica és la ciència de la navegació per l’espai. El terme va ser establert per l’enginyer francès Robert Esnault-Pelrerie (1881-1957) en el marc d’una conferència pronunciada el 1927 a la seu de l’Associació Astronòmica Francesa. D’acord amb la seva etimologia, el terme astronàutica o ‘navegació pels astres’ és anàleg al de cosmonàutica o ‘navegació pel cosmos’, emprat fa un temps pels soviètics (i ara encara pels russos). Totes dues denominacions compartien, en el moment de ser creades, una hipotètica possibilitat de navegar per l’espai en un futur. En l’astronàutica conflueixen coneixements científics i tècnics de diverses disciplines, com l’astronomia, la física, la química, la informàtica, la biologia, la medicina o les telecomunicacions.

Els sistemes de navegació espacial es poden projectar tant per a missions amb tripulació com per a missions automatitzades. Fruit dels progressos de l’aeronàutica, existeixen centenars de satèl·lits artificials utilitzats en les telecomunicacions, el control militar, les previsions del temps o la recerca científica. L’astronàutica ha fet possible un gran aprofundiment dels coneixements sobre els planetes del sistema solar i sobre el nostre satèl·lit natural, la Lluna, el primer, i per ara l’únic, cos celeste visitat per l’ésser humà.

Hi ha estacions orbitals habitades permanentment, com la Mir (‘pau’, en rus), de l’antiga Unió Soviètica, o altres que estan en projecte, com la ISS (International Space Station o Estació Espacial Internacional). En aquestes estacions, gràcies a la manca gairebé total de gravetat, s’hi podrà desenvolupar una autèntica activitat industrial impossible de realitzar a la Terra. Es calcula que, els propers anys, certs productes com aliatges especials, xips per a la indústria electrònica i nous fàrmacs es podran fabricar en ambients sense gravetat. Més a llarg termini es preveuen instal·lacions científiques i colònies estables a la Lluna, viatges tripulats a Mart i a alguns asteroides d’interès per les seves primeres matèries, i estacions interplanetàries de grans dimensions, potser amb milers d’habitants.

La ciència de la navegació espacial

La navegació pel cosmos planteja nombrosos problemes de difícil solució. Les dues qüestions principals afecten la potència de les naus, que ha de ser suficient per a permetre assolir velocitats molt elevades, i el motor, que ha de poder funcionar fins i tot en el buit. La tecnologia de la propulsió per coets és, per ara, l’única capaç de satisfer aquestes exigències. La propulsió per coets es basa en el principi d’acció-reacció. A l’acció, constituïda per l’expulsió de matèria (generalment gas) d’un aparell determinat, li correspon, per reacció, un impuls que aquest dispositiu rep en sentit contrari. L’impuls és proporcional al producte de la massa expel·lida per la velocitat a què és expulsada. Els motors dels coets que s’utilitzen normalment obtenen l’energia de reaccions químiques de combustió. El propulsant pot ser sòlid o líquid, però l’hidrogen (combustible) i l’oxigen (comburent) són els que ofereixen el millor rendiment energètic. Ara bé, atès que s’han de mantenir a temperatures molt baixes (255 i 150°C sota zero, respectivament), l’ús d’aquestes substàncies requereix unes tècniques de refredament molt complexes. També és possible obtenir petits impulsos per mitjà de motors de propulsió elèctrica, iònica o de plasma. La propulsió nuclear, després de les grans recerques dutes a terme els anys seixanta, es va desestimar per motius de seguretat. Fins a una certa distància del Sol, és hipotèticament possible una propulsió que se serveixi de la pressió de la radiació solar (vent solar) sobre unes grans veles de molt poc gruix. Aquesta tecnologia s’està experimentant amb vista a l’enviament de sondes a Mart.

Les bases de la ciència de la navegació espacial van ser establertes per Isaac Newton amb la descoberta de la llei de la gravitació universal, segons la qual dos cossos s’atreuen amb una força que és directament proporcional al producte de les seves masses i inversament proporcional al quadrat de la seva distància: F = G (mM/r2) (vegeu “La gravitació universal”). Isaac Newton va descobrir aquesta llei el 1666, però no va publicar els resultats dels seus treballs fins el 1687. D’acord amb aquesta llei, és fàcil calcular el recorregut d’una nau espacial si es coneixen la massa i la distància relativa dels cossos celestes susceptibles d’afectar-la amb la seva atracció gravitacional. Respecte a la teoria clàssica de Newton, cal fer algunes petites correccions per a tenir en compte la pressió exercida per la radiació del Sol i els efectes derivats de la teoria de la relativitat d’Albert Einstein.

La velocitat necessària perquè un cos entri en òrbita entorn de la Terra i es transformi en un satèl·lit artificial és de prop de 8 km/s, més exactament, de 7,8 km/s a una altura de 200 km, l’altura mínima per tal que el satèl·lit no pateixi els efectes de la fricció amb l’atmosfera. La velocitat de satel·lització (o sigui, la velocitat que, juntament amb la trajectòria, fa d’un objecte llançat a l’espai un satèl·lit artificial), anomenada primera velocitat còsmica, depèn de la massa del planeta entorn del qual gira el satèl·lit i de la distància d’aquest planeta. A 1 000 km de la superfície terrestre, es redueix a 7,4 km/s; a 36 000 km —altura de l’òrbita geostacionària, l’òrbita en què el satèl·lit artificial gira entorn de la Terra en la mateixa direcció i amb la mateixa velocitat de la rotació terrestre, de manera que roman “fix” sobre un punt determinat, i triga exactament 24 hores per a fer una revolució completa—, disminueix fins a 2,6 km/s, i cau aproximadament a 1 km/s a la distància de la Lluna (384 000 km).

La segona velocitat còsmica, o velocitat d’escapament, és la que permet a un cos allunyar-se definitivament de la Terra. Al nivell del mar, aquesta velocitat és d’11,18 km/s, però a 1 000 km d’altura aquest valor es redueix a 10,4. Evidentment, la velocitat d’escapament també depèn de la massa del planeta o del cos celeste del qual s’allunya. A la Lluna, per exemple, la velocitat d’escapament és de 2,38 km/s; a Mart, de 5,04 km/h, i a Venus, de 10,35 km/h.

Finalment, la tercera velocitat còsmica és la que permet a un cos d’alliberar-se també de l’atracció del Sol, i, per tant, d’abandonar definitivament el nostre sistema planetari i entrar en el camp gravitacional d’una altra estrella. En el cas de la Terra, si orientem la nau espacial en la direcció del moviment orbital del nostre planeta per aprofitar-ne l’impuls, la velocitat mínima inicial necessària és de 17,5 km/s.

La primera velocitat còsmica es va assolir el 4 d’octubre de 1957 amb l’entrada en òrbita del primer satèl·lit artificial, anomenat Sputnik i llançat pels soviètics. D’ençà d’aquell llançament, han entrat en òrbita terrestre milers d’objectes, entre satèl·lits artificials pròpiament dits i parts de coets transportadors. La segona velocitat còsmica es va aplicar a les naus dirigides a la Lluna i a desenes de naus que han explorat amb aparells automatitzats Mercuri, Venus, Mart, Júpiter, Saturn, Urà, Neptú i el cometa Halley. Algunes d’aquestes sondes (les Pioneer 1 i 2, i les Voyager 1 i 2) han assolit també la tercera velocitat còsmica i actualment s’estan allunyant definitivament del sistema solar.

Breu historia de la propulsió per coets

Imaginem que inflem un globus i subjectem el bec amb els dits per evitar-ne la sortida d’aire. Si de cop i volta deixem anar el bec, ja sabem què passa: el globus, tot desinflant-se, surt disparat per emprendre un viatge més o menys caòtic, amb un soroll característic, fins que cau a terra, desinflat. L’expulsió de l’aire de l’interior, a causa de la pressió que hi exercia el mateix globus, fet de material elàstic, s’ha vist acompanyada d’una reacció que ha empès el globus en sentit contrari a la sortida de l’aire. Bàsicament, aquest és el principi del coet: propulsió per expulsió de matèria-energia. L’explicació científica cal trobar-la a les lleis fonamentals de la dinàmica (vegeu “Moviments, forces i equilibri”). Així, parlem en general de coets com a artefactes que basen la seva propulsió en l’expulsió de gasos producte de la combustió d’una càrrega de pólvora o d’algun altre explosiu.

La història de la propulsió per coets es pot fer remuntar al 230 aC, any en què, segons el testimoniatge de l’erudit llatí Aule Gel·li, es va fer volar la maqueta d’un colom penjat d’un fil, empès per un corrent d’aire calent que sortia d’un tub. El primer document sobre la propulsió per coet és, però, un tractat militar publicat a la darreria del segle XIV per Marco Greco, que és un compendi d’obres d’Albert Magne i de Roger Bacon. De tota manera, l’ús de coets en aquest camp era molt marginal atesa la seva inseguretat. Es té constància que se’n van emprar a Colònia el 1258, a Flandes i a Escòcia el 1327, a Copenhaguen el 1807, a Leipzig el 1813 i a la guerra angloamericana a l’agost del 1814. El 1840, William Hale va perfeccionar-ne el funcionament col·locant al centre del coet un bastonet per fer-lo més estable i va fer girar el coet entorn del seu eix longitudinal per millorar-ne la trajectòria preestablerta.

Ja conegut pels xinesos i pels grecs, el motor coet és molt més antic que el motor de vapor i que el motor d’explosió. Però la seva escassa utilitat per a usos terrestres va comportar que calgués esperar l’inici del segle XX perquè algú, pensant ja en els vols espacials, decidís perfeccionar-lo. El gran capdavanter d’aquesta tècnica va ser el mestre d’escola rus Konstantin Ciolkovskij (1857-1935), que el 1883 va elaborar la teoria dels coets, amb què demostrava que podien volar en el buit, i el 1895 va publicar a Moscou una obra que duia per títol Somni de la Terra i del cel, on proposava la idea d’un satèl·lit artificial en òrbita més enllà de l’atmosfera. Ciolkovskij va arribar a proposar l’ús de combustibles líquids, que són més fàcils de mantenir controlats que els sòlids després de l’ascensió, i va imaginar una nau espacial amb tripulació accionada per mitjà de motors coet que funcionessin amb oxigen i hidrogen líquids, tal com serien els coets de la sèrie Saturn. També es va preocupar per les reaccions de l’organisme humà a les fortes acceleracions, pel risc de col·lisió amb meteorits a la deriva, i per la necessitat de cambres de compensació i d’escafandres per a permetre als astronautes d’aventurar-se en el buit fora de la nau. També va ser seva la idea d’estabilitzar els coets amb un giroscopi i de construir coets de diversos nivells o etapes.

Mentrestant, als Estats Units, també hi havia científics que pensaven en els coets. El 1909, Robert Hutchings Goddard (1882-1945) va començar a estudiar la propulsió per coet des d’un punt de vista teòric i, tres anys més tard, va demostrar definitivament que aquell tipus de motor podia funcionar també en absència d’aire (molts encara consideraven que els gasos expulsats podien generar l’impuls “recolzant” sobre l’atmosfera). Després d’un treball apassionat i solitari, el 16 de març de 1926 va aconseguir llançar el primer coet amb propulsant líquid. Es tractava d’un prototip de les dimensions d’un projectil d’artilleria i alimentat per la combustió de benzina i d’oxigen líquid. Aquell coet es va alçar fins a 30 m i va recórrer un total de 56 m. El vol va durar dos segons i mig i la velocitat mitjana va ser de 103 km/h.

Un altre gran capdavanter de l’astronàutica va ser l’alemany Hermann Julius Oberth (1894-1989). En un escrit del 1923, Oberth especulava sobre un coet de dues etapes amb combustible líquid capaç de superar el camp gravitacional terrestre. Va aconseguir posar a punt un propulsor experimental que va provar el 23 de juliol de 1930. Va resultar un gran èxit, però va ser necessari esperar els experiments de Wernher von Braun (1912-1977) per poder parlar veritablement d’astronàutica.

El 1934 va tenir lloc la primera experiència amb èxit. Des de l’illa de Borkum, a la mar del Nord, es van llançar dos coets anomenats Max i Moritz, que consumien alcohol i oxigen líquid i que van assolir l’altura de 2 200 m. Amb l’esclat de la Segona Guerra Mundial, Von Braun va col·laborar en la construcció dels coets Vergeltungswaffe (‘armes de revenja’), que a partir del setembre del 1944 es van llançar contra el Regne Unit. El 1945 Von Braun va entrar a formar part de l’exèrcit nord-americà i va començar ben aviat a col·laborar secretament a Fort Bliss (Texas) en els projectes espacials fins a la fabricació del Saturn 5, que havia de portar els primers homes a la Lluna.

Vehicles de llançament

Etapes successives del vol d’una llançadora espacial. La nau disposa d’un motor principal de combustible líquid o SSME, que és llançat amb l’impuls d’un conjunt accelerador (tanc exterior més dos coets SRB), el qual se separa del vehicle quan ja s’ha assolit l’òrbita desitjada. Els motors SRB són recuperats, però el tanc exterior es destrueix en caure a terra. Un cop ha completat la missió, la nau retorna planant i aterra (a la fotografia de la dreta) en una pista de dimensions especials.

ECSA

Els mitjans destinats a realitzar missions espacials es poden classificar en dues grans categories. D’una banda, els vehicles de llançament integren una categoria formada pels coets portadors, capaços de conferir les característiques dinàmiques (propulsió i orientació a l’espai) idònies per a assegurar l’equilibrament en una òrbita predeterminada per a la realització dels objectius del vol espacial. D’altra banda hi ha els vehicles espacials pròpiament dits, destinats a acomplir les missions astronàutiques establertes per la iniciativa humana.

En un principi, totes dues categories coincidien, si més no parcialment, ja que el coet portador no es dissociava de la part encarregada de la missió espacial. Aquest va ser el cas, durant molt de temps, dels coets sonda i d’alguns satèl·lits científics de recerca. En altres casos, es van adoptar solucions híbrides (per exemple, la unió del vehicle espacial amb l’últim nivell o etapa del coet portador), fins que les dues parts van quedar netament separades.

Els coets portadors estan formats bàsicament per un complex de motors coet, les proporcions dels quals depenen dels objectius finals de l’experiment, i per un sistema de dipòsits que contenen tot el propulsant necessari per a l’enlairament. En un primer moment, es tractava d’un cos únic que portava a la part inferior la bateria dels motors. Amb l’increment de l’impuls requerit per a l’enlairament, es va procedir a l’agrupament de diversos motors semblants. En l’intent d’utilitzar motors d’enlairament de prou potència conjunta, es va aconseguir una menor despesa d’energia, i per tant un cost inferior, i a partir d’aquí es van construir vehicles de llançament de diversos nivells o etapes agrupats. El principi dels coets portadors amb múltiples etapes va ser aplicat a partir dels anys quaranta, després d’una fase experimental, als vehicles de llançament per a experiments espacials. A la Unió Soviètica disposaven de coets d’una sola etapa més potents, la qual cosa va permetre, en un principi, l’equilibrament en òrbita de satèl·lits més pesants amb un llançament dirigit i el pas subsegüent als coets de diverses etapes.

El llançament requereix un esforç inicial molt gran per un doble motiu. Cal vèncer la força de la gravetat que actua sobre el pes total del vehicle de llançament, que comprèn la càrrega útil (càrrega destinada a dur a terme la missió projectada), i al mateix temps s’ha de superar la resistència de la capa d’aire que cal travessar. Aquestes forces són contràries i totes dues disminueixen a mesura que s’incrementa l’altura; així, la força de la gravetat ho fa a causa de l’allunyament respecte del centre d’atracció terrestre, mentre que la resistència de l’aire disminueix per la reducció de la densitat de l’atmosfera. Aquest esforç es pot realitzar en un temps relativament breu, però no en el mínim possible, quan en l’aparell no viatgen organismes vius, per als quals una acceleració molt elevada seria letal; si hi són presents aquests organismes, l’acceleració no pot superar certs límits (de 3 a 6 vegades l’acceleració de la gravetat).

Els coets portadors de diverses etapes ofereixen la possibilitat d’accelerar el vehicle progressivament, a mesura que l’impuls dels motors de cada etapa va decreixent i, paral·lelament, es requereix un impuls inferior a causa de l’afebliment de la força gravitacional i la pèrdua de massa del vehicle. En efecte, cada etapa, un cop exhaurit el carburant, és abandonada, i aleshores s’activa l’etapa següent, que es caracteritza per una massa i un impuls decreixents. Les primeres etapes s’utilitzen per a portar la càrrega a l’altura desitjada, mentre que les restants serveixen per a efectuar l’entrada en òrbita. Els motors de les etapes subsegüents es poden activar immediatament després de l’exhauriment de l’impuls de l’etapa precedent, o bé per mitjà d’un temporitzador automàtic al cap d’un cert temps, que transcorre sense cap impuls, o sigui, en navegació inercial.

A la dècada dels anys noranta, els països que disposen, individualment o associats amb altres, de sistemes de llançament i de transport espacial són els Estats Units, Rússia, Europa (més exactament, l’Agència Espacial Europea o ESA), el Japó, la Xina i l’Índia. L’antiga Unió Soviètica, al final dels anys vuitanta, va fabricar un potent coet portador, anomenat Energia, capaç de posar en òrbites baixes càrregues d’un centenar de tones. Europa posseeix diverses versions del coet Ariane, amb una potència suficient per a posar en òrbita càrregues de 4 tones. Pel que fa al Japó, ha dut a terme la fabricació de tres coets, el més potent dels quals té una capacitat d’enlairament de 3 tones de càrrega.

Les principals bases espacials són la de Cape Kennedy (abans Cap Canaveral), als Estats Units; el cosmòdrom de Bajkonyr, prop de la mar d’Aral, al Kazakhstan; i l’europea de Kourou, a la Guaiana Francesa. El Japó disposa de dos polígons de llançament, a Kagoshima i Tonegashima.

Llançadores de transport reutilitzables

A banda dels coets d’un sol ús, que es destrueixen després del llançament, també s’han creat llançadores que poden ser utilitzades en diverses missions espacials. L’avantatge de les llançadores reutilitzables respecte dels coets d’un sol ús és evident.

La tècnica del llançament mitjançant un coet portador de diverses etapes ha permès, certament, la posada en òrbita de càrregues d’un pes considerable. Ara bé, es tracta d’una operació econòmicament desavantatjosa, en la mesura que el coet es perd completament i no existeix la possibilitat de reintroduir la càrrega a la Terra.

Després de l’èxit del programa Apollo, l’Agència Espacial dels Estats Units (NASA) va emprendre la construcció del space shuttle, una llançadora o transbordador espacial reutilitzable, pensat per a una tripulació de tres a set astronautes. Aquesta llançadora espacial, segons el que estava projectat, hauria hagut de reduir substancialment els costos del programa d’activitats espacials. En realitat no va ser així, a causa sobretot d’un dramàtic accident que va provocar l’explosió del transbordador Challenger, amb una tripulació formada per set persones, poc després del seu llançament, el dia 28 de gener de 1986. A més, aquest fet va posar de manifest que la seguretat era un objectiu encara poc reeixit. Amb tot, malgrat les limitacions paleses i aquell tràgic accident, ara com ara no hi ha dubte que la colonització de l’espai es fonamentarà en aquests sistemes de transport.

Pel que fa a l’antiga Unió Soviètica, també va iniciar l’experimentació d’un model de llançadora espacial, denominada Buran, que és el nom d’un vent fort i fred, acompanyat de neu, que bufa a Sibèria. Així mateix, existeixen versions reduïdes del transbordador nord-americà en els programes espacials del Japó i de l’Agència Espacial Europea. Precisament, la llançadora europea, anomenada Hermes, és previst que tingui una capacitat per a tres astronautes i s’ha de posar en òrbita per mitjà d’una versió completament renovada del coet Ariane.

La llançadora nord-americana s’envola gràcies a l’impuls proporcionat per dos coets auxiliars de combustible sòlid, d’una alçada de 46 m, també reutilitzables, i de tres motors alimentats amb hidrogen i oxigen líquids continguts en un dipòsit extern de 48 m de llarg i 8 m d’ample. Un cop s’han consumit les més de 700 tones de propulsant que conté, el dipòsit se separa a un centenar de quilòmetres d’altura i cau a l’oceà. Aquest sistema de transport espacial posa en òrbita 30 tones de càrrega útil, més les 95 tones que pesa la mateixa llançadora. En sortir de la rampa de llançament, aquest complex del shuttle pesa unes 2 000 tones. Quant a l’aterratge, té lloc en vol planat, amb els motors parats (de fet, com un planador). Ja ha realitzat unes desenes de missions de caràcter comercial (llançament de satèl·lits de telecomunicacions), militar i científic, en algunes de les quals s’ha fet servir el Spacelab, un laboratori espacial creat per l’Agència Espacial Europea i la NASA.

Estacions espacials

Si analitzem breument els vehicles espacials destinats principalment a l’allotjament i al transport de la tripulació, constatarem que s’han aconseguit grans progressos d’ençà de la càpsula que, el 1961, va posar en òrbita el primer astronauta, el soviètic Iuri Gagarin. Mitjançant una sèrie de vehicles nord-americans i soviètics cada cop més perfeccionats, s’ha arribat al llançament d’estacions espacials que fan possible l’estada en òrbita d’un equip de tripulants durant temporades força llargues i el seu relleu, també en òrbita, mitjançant les llançadores que transporten una tripulació de refresc.

Bàsicament, allò que ha portat a concebre aquestes estructures és fruit de la constatació que els viatges espacials només són possibles llançant les naus directament des de l’espai, on l’impuls requerit és molt inferior al que exigeix el llançament des de la Terra. De moment, però, aquestes estructures s’utilitzen sobretot per a verificar els límits de la resistència física de l’ésser humà a l’espai i per a dur a terme recerques i experiments aprofitant l’absència de gravetat o el buit, difícilment realitzables, per tant, a la Terra. Atès que solen ser de grans dimensions, les estacions orbitals es llancen mitjançant coets portadors preparats especialment amb aquest objectiu; sovint, només l’última etapa del coet es destina a l’estació espacial.

Per a fer-nos una idea de la complexitat i de les capacitats operatives de les estacions espacials, vegem com està constituïda l’estació soviètica Mir, posada en òrbita el 20 de febrer de 1986. Es compon d’un compartiment que alberga la tripulació i d’una secció central de comandament i de control de 21 tones de pes i 13 m de llarg (substituïda el 1995) amb sis escotilles d’acoblament (cinc a la part posterior i una al davant) per als eventuals mòduls o vehicles espacials de diferents classes destinats al transport de passatgers, l’abastament o les activitats científiques específiques. La secció de comandament té dues “ales” constituïdes per dos grans panells solars encarregats de la producció d’energia. La llançadora que enllaça amb la Mir es compon de tres mòduls: un d’instrumentació, proveït també de plaques solars, un d’orbital i un altre que porta la tripulació a la Terra. El conjunt de l’estació Mir i la nau (de la sèrie Sojuz) té una llargada total de 28 m i pesa 34,4 tones, si bé pot arribar a pesar el triple amb tots els mòduls connectats.

L’envelliment de l’estació espacial Mir ha estat palès els darrers temps, i ha acumulat una munió de problemes dels sistemes de computació, als quals s’han afegit fallades humanes que han estat a punt d’originar un desastre. El futur immediat exigeix el muntatge de l’Estació Espacial Internacional o ISS, en què participen els estats membres de l’Agència Espacial Europea (ESA), a més dels Estats Units, Rússia, el Japó i Canadà. Les “obres” és previst que durin fins el 2003. La ISS, formada per diversos components separats, mesurarà 108 m de llargada i 88 m d’amplada, i tindrà una massa d’unes 450 tones. Amb un total de 14 000 metres cúbics de capacitat per a la tripulació, girarà al voltant de la Terra a uns 400 km d’altura.

Satèl·lits artificials

Els satèl·lits artificials són el resultat més avançat de l’astronàutica. Des dels anys seixanta, aquests ginys han trobat una aplicació comercial molt valuosa, sobretot en el camp de les telecomunicacions i de la detecció a distància dels recursos terrestres (teledetecció). Però també acompleixen funcions de gran valor al servei de la seguretat militar, la meteorologia o la recerca científica. El problema de l’entrada en òrbita d’un satèl·lit, teòricament força senzill, és a la pràctica considerablement complicat a causa de la resistència aerodinàmica, en especial dels estrats més densos de l’atmosfera. La forma de la trajectòria (el·líptica, circular o hiperbòlica) i el perigeu i l’apogeu (és a dir, la distància mínima i màxima del vehicle respecte de la Terra) depenen de la velocitat assolida per l’última etapa del coet en el moment en què comença la maniobra d’entrada en òrbita. La vida útil del satèl·lit és directament proporcional a l’altura de la seva òrbita, ja que en els estrats més baixos de l’estratosfera la resistència aerodinàmica, tot i ser exigua, provoca un alentiment progressiu del vehicle i el subsegüent descens cap a estrats cada cop més densos, fins que l’aparell és destruït.

L’altura, la forma de l’òrbita i la posició del pla d’horitzontalitat respecte de l’eix terrestre són determinats en funció de l’ús que es fa del vehicle. En la mesura que la velocitat de rotació depèn del radi, o sigui, de la distància entre el vehicle i la Terra, si definim l’altura, podrem establir la velocitat orbital del vehicle, per tal de fixar el període (durada d’una rotació) desitjat. Per exemple, les òrbites amb un període de 24 h (òrbites sincròniques) permeten que els satèl·lits es mantinguin immòbils a una altura d’uns 36 000 km en la vertical d’un punt de la superfície terrestre situat a l’equador (satèl·lits geoestacionaris), la qual cosa és de gran utilitat, per exemple, per a les telecomunicacions.

Hem comentat anteriorment que els satèl·lits artificials han trobat múltiples aplicacions. Vegem-ne ara breument els principals grups, segons l’ús a què estan destinats, que inclouen: els meteorològics, els de telecomunicacions, els d’observació, els de navegació, els militars i els científics.

Pel que fa als satèl·lits meteorològics, cal tenir present que avui les previsions del temps són cada dia més fiables i cobreixen terminis bastant llargs, de fins cinc o sis dies, gràcies a l’existència d’uns satèl·lits que permeten obtenir una visió a gran escala de l’evolució de la nuvolositat. Hi ha dues classes de satèl·lits meteorològics, que són del tot complementàries. La primera comprèn els satèl·lits en òrbita polar, situats a una altura entre els 800 i els 1 500 km. Cobreixen una zona de 8 000 km d’amplada i en dotze hores recorren tota la superfície terrestre, tot aportant dades relatives a la temperatura, la humitat i la composició dels sistemes nuvolosos. La segona classe inclou els satèl·lits situats en òrbita geostacionària, que garanteixen la visió completa de les pertorbacions fins a 60° per sobre i per sota de l’equador. El primer satèl·lit meteorològic va ser el nord-americà Tiros i es va llançar el 12 d’abril de 1960. A continuació, n’hi va haver una desena de semblants, després els de la sèrie ESSA (1966-73), els Nimbus i els NOAA (1980-90). Els soviètics, els japonesos i els europeus també han creat les seves pròpies xarxes de satèl·lits per a la previsió del temps. Per exemple, els Meteosat europeus, que pesen 700 kg i tenen 2 m d’ample i 4,5 m d’alt, transmeten cada mitja hora una imatge en llum visible i una en raigs infraroigs, que permeten mesurar la temperatura de la superfície terrestre o de les parts altes dels núvols amb la precisió d’un grau centígrad. A banda de les previsions del temps, els satèl·lits meteorològics contribueixen d’una manera molt important a l’estudi de diversos fenòmens, com la circulació global de l’atmosfera, l’efecte hivernacle o la disminució de l’ozó estratosfèric.

El llançament del primer satèl·lit de telecomunicacions, l’Echo I, es remunta al 12 d’agost de 1960. Consistia en una bola de 30 m de diàmetre que es va inflar en òrbita i que, en estar recoberta per una fina pel·lícula d’alumini, reflectia les ones de ràdio. Aquests satèl·lits “passius” situats en una òrbita relativament baixa (1 000 km aproximadament) van ser abandonats ben aviat i es va passar als satèl·lits en òrbita geostacionària i “actius”, és a dir, capaços de captar els senyals, amplificar-los i retransmetre’ls. Mentre que un satèl·lit en òrbita baixa apareix i desapareix, des de la perspectiva d’un lloc determinat, diversos cops al dia —i per tant no cobreix un servei continu— i requereix antenes que en segueixin el moviment, tres satèl·lits en òrbita geoestacionària situats sobre l’equador i a una distància de 120° entre ells poden garantir de manera estable les telecomunicacions arreu del planeta. Actualment, més de 100 estats formen un consorci anomenat Intelsat (International Telecommunications Satellite Consortium), que, a través dels seus satèl·lits geoestacionaris Intelsat VI (capaços de servir 33 000 circuits telefònics i dos canals de televisió), situats sobre els oceans Atlàntic, Índic i Pacífic, i de gairebé 700 estacions receptores terrestres, gestiona les dues terceres parts de les trucades telefòniques intercontinentals i gairebé la totalitat de les transmissions televisives en directe del servei Mundovisió. A aquest sistema, s’hi han afegit molts satèl·lits destinats a la televisió per satèl·lit d’ús directe, els canals de la qual són captats per l’usuari amb una petita antena, sense haver de passar pels complexos aparells de les estacions terrestres.

Els satèl·lits d’observació fan possible la visió de la Terra des de l’espai. Són de gran utilitat per als agricultors, els productors d’energia hidroelèctrica, els ecòlegs, els urbanistes, els geògrafs i tot els qui necessitin obtenir una visió del territori a gran escala i contínuament actualitzada. Constitueixen l’instrument ideal per a tenir “sota control” el planeta Terra. Els primers satèl·lits d’aquest tipus, de la sèrie Landsat, van ser llançats pels Estats Units els anys setanta i vuitanta. Posteriorment, França va posar en òrbita dos Spot, el 1986 i el 1990. Aquests satèl·lits, situats en una òrbita d’uns 800 km d’altura, capten les radiacions infraroges reflectides per la superfície de la Terra i, mitjançant aquest sistema, són capaços de distingir objectes de la grandària d’una piscina o d’un camp de tennis. L’última generació dels satèl·lits d’observació, com l’European Remote Sensing o Ers 1 (primer satèl·lit de teledetecció de l’ESA, llançat el 1991), ha incorporat sistemes d’observació activa que envien ones de ràdio a la Terra i en capten l’eco, la qual cosa permet veure a través dels núvols i mesurar la distància entre el satèl·lit i la superfície terrestre amb un marge d’error de menys de 10 cm. Una nova versió, l’Ers 2, va ser posada en òrbita el 1995. El seu successor, l’Envisat 1, és previst que sigui llançat el 1999.

Els satèl·lits de navegació funcionen com a estrelles artificials ja que, per mitjà dels seus senyals de ràdio, permeten “marcar el punt” amb la precisió del metre. El sistema més avançat és l’americà GPS (Global Positioning System), format per 24 satèl·lits situats en òrbites circulars a 20 000 km d’altura de la Terra. Amb aquests satèl·lits, entre altres coses, s’ha tornat a mesurar l’altitud de moltes muntanyes, com ara l’Everest i el K2. En alguns casos, les correccions respecte de les mesures convencionals han estat d’algunes desenes de metres. Uns satèl·lits geodèsics especials, com el Starlette i el Lageos, faciliten unes mesures amb la precisió d’un centímetre, cosa que fa possible posar de manifest certs fenòmens com pot ser la deriva dels continents.

Els satèl·lits militars són els més nombrosos i alhora els menys coneguts. De fet, no tan sols acompleixen tasques d’espionatge més o menys encobertes, sinó que també garanteixen el control sobre el compliment dels acords internacionals per a la limitació de l’armament. Els satèl·lits espia se situen a unes òrbites molt baixes (uns 200 km) i tenen una vida breu a causa del desgast ocasionat per la fricció constant de la tènue atmosfera present en aquella altura. Les seves prestacions són impressionants, atès que en bones condicions de transparència atmosfèrica són capaços de llegir la matrícula d’un automòbil.

Els satèl·lits científics formen una categoria nombrosa i presenten un gran interès per als astrònoms, ja que els permeten observar l’univers a través d’unes “finestres” inaccessibles des de la Terra. Els raigs infraroigs, ultraviolats, X i gamma són absorbits per l’atmosfera i, per tant, únicament transportant els instruments d’observació més enllà és possible captar aquestes radiacions, riques en informacions sobre el naixement de les estrelles (infraroigs), sobre les estrelles més calentes (ultraviolats) o sobre fenòmens de gran energia, com les explosions de supernoves, púlsars i forats negres (raigs X i gamma).

Eliminar el filtre de l’atmosfera és també molt important en les observacions òptiques normals. Amb un mirall de 2,4 m, el telescopi espacial Hubble —anomenat així en honor del cèlebre astrònom nord-americà Edwin Hubble (1889-1953)—, llançat a l’abril del 1990 des de Cape Kennedy en el marc d’una col·laboració amb l’Agència Espacial Europea, ha marcat una etapa revolucionària en la història de l’astronomia en oferir als científics la possibilitat de sondar l’univers set vegades més lluny del que podria fer un telescopi des de la Terra. Les esperances posades en l’HST (Hubble Space Telescope o ‘telescopi espacial Hubble’) van resultar inicialment frustrades per unes imperfeccions del sistema òptic. Però, al desembre del 1993, els astronautes d’una de les missions de la llançadora espacial van fer-hi les reparacions i les substitucions necessàries. Des de llavors l’HST està en ple funcionament, complint i superant les expectatives. Segons les previsions, el 1999 noves missions tripulades realitzaran diverses millores a l’HST que potenciaran encara més les seves capacitats científiques i operatives.

Les principals etapes de l’exploració espacial

Un dels sectors més importants de l’activitat astronàutica des del punt de vista científic i, sens dubte, el més popular entre el públic no especialista és el de l’exploració espacial. Tots els planetes del sistema solar ja han estat objecte, en major o menor grau, de l’exploració espacial, i les imatges proporcionades per les sondes que s’hi han enviat, que en alguns casos fins i tot han arribat a la superfície planetària, ens han permès desvelar-ne molts misteris.

La fita més cèlebre d’aquest procés exploratori va ser la “conquesta” de la Lluna, la qual va ser trepitjada per primera vegada pel nord-americà Neil Armstrong, el 1969. Aquest esdeveniment va ser seguit en directe per televisió arreu del món.

L’activitat espacial no ha quedat circumscrita al sistema solar, ja que algunes sondes, com les Pioneer 10 i 11 i les Voyager 1 i 2, que ja han abandonat el sistema solar després d’un llarg viatge d’exploració i de recerca, en alguns casos continuen enviant imatges i dades d’alta qualitat i de gran interès.

Les fites més famoses de la història

La conquesta de la Lluna ha estat sens dubte l’empresa astronàutica de més gran abast i continua essent, encara avui dia, la fita tecnològica més important assolida en la història humana. L’operació es va dur a terme en el marc del programa Apollo i va costar uns 24 miliards de dòlars. L’allunatge es va preparar des de vols orbitals amb tripulació i amb el suport de sondes automàtiques enviades a nombrosos punts de la superfície lunar. La nit del 20 al 21 de juliol de 1969, Neil Armstrong i Edwin Aldrin van baixar a la Lluna en una regió plana anomenada Mar de la Tranquil·litat i s’hi van estar vint-i-dues hores, durant les quals van obtenir mostres de material rocós del sòl selenita. A l’òrbita lunar, en el mòdul de comandament, els esperava Michael Collins. L’operació va ser presenciada per 600 milions de teleespectadors. “És un petit pas per a l’home, però un gran salt per a la humanitat”, va dir Armstrong en baixar l’últim esglaó de l’escaleta del mòdul lunar i deixar la primera empremta sobre la “sorra bruta” (així mateix és com la va definir) del Mar de la Tranquil·litat.

Cinc missions més, entre el 1969 i el 1972, van portar un total de dotze astronautes nord-americans a la superfície del satèl·lit. El pes total de les mostres de pedres lunars recollides va ser de 382 kg. L’anàlisi d’aquestes mostres ha possibilitat l’obtenció de noves dades sobre l’origen de la Lluna i del sistema solar; per exemple, la datació de les pedres lunars ha permès confirmar que el sistema solar es va formar ara fa uns 46 000 milions d’anys a partir d’una nebulosa que en col·lapsar-se va provocar la formació del Sol i dels seus planetes.

Pel que fa a la Lluna, no hem d’oblidar la contribució dels soviètics. Si bé és cert que l’allunatge del primer ésser humà constitueix un èxit dels nord-americans, als soviètics els correspon el mèrit d’haver obtingut, el 1959, les primeres imatges de la cara oculta del nostre satèl·lit i, posteriorment, d’haver desenvolupat un llarg programa d’exploració per mitjà de sondes automàtiques, dues de les quals van servir per a obtenir mostres de sòl lunar d’uns quants hectograms de pes. El rellançament del programa lunar el 1998 per part de la NASA, amb la nau Lunar Prospector, ha dut a la important troballa de gel als pols de la superfície selenita, on el Sol arriba molt rasant. La descoberta d’aigua a la Lluna afavoreix les perspectives d’instal·lar bases permanents habitades a la superfície del nostre satèl·lit, ja que no caldria importar de la Terra aquest bé tan essencial per a la vida.

El programa Apollo

L’arribada dels astronautes a la Lluna formava part de l’anomenat programa Apollo, de la NASA, que es va iniciar el 1960 per decisió del president John F. Kennedy per contrarestar el predomini que fins aleshores havien mantingut els soviètics en la “cursa de l’espai”. L’havien precedit una sèrie de vols orbitals amb tripulació, primerament amb les càpsules Mercury i després amb les Gemini. Les Mercury podien albergar un sol astronauta durant unes vint-i-quatre hores. Pel que fa a les Gemini, es van projectar per a dos tripulants i per a efectuar les maniobres d’acoblament entre astronaus indispensables per al viatge a la Lluna. El primer vol Gemini amb astronautes a bord va tenir lloc el 23 de març de 1965. Seguidament es van efectuar nou llançaments més, tots ells amb èxit. Simultàniament es procedia al reconeixement de la superfície lunar.

La construcció del coet necessari per a l’allunatge —el Saturn 5— va anar a càrrec del físic Wernher von Braun. El Saturn 5 estava format per més de tres milions de peces, feia 86 m d’alçada, 111 m amb la nau Apollo, i pesava poc menys de 3 000 tones al moment d’enlairar-se. Els seus motors, amb un impuls de 4 016 tones, eren capaços de posar en òrbita terrestre 137 tones, i 46 tones en òrbita lunar. La primera de les tres etapes funcionava amb querosè i oxigen líquid, consumia 13 litres de propulsant per segon i tenia una durada de 160 segons. La segona etapa era formada per un cilindre de 25 m d’alçada i 10 m de diàmetre i disposava de cinc motors d’hidrogen i oxigen líquids. La tercera etapa, d’una alçada de 18 m i una amplada de 6,6 m, duia un sol motor d’oxigen i hidrogen líquids. Aquesta última etapa posava en òrbita, a 190 km d’altura, una complexa astronau constituïda per tres parts fonamentals. La primera era un mòdul de comandament, que allotjava els astronautes durant la major part del viatge (unes 70 hores d’anada i unes 70 més de tornada). La segona part era el mòdul de servei, necessari per a les maniobres en òrbita. I la tercera, el Lem o mòdul lunar, era format d’una part destinada a quedar-se a la Lluna i d’una altra que hauria de reincorporar-se al mòdul de comandament, situat en l’òrbita lunar. L’espai habitable del mòdul de comandament era de 6 m3, o sigui 2 m3 per a cada astronauta. El pilot tenia davant seu un quadre de comandaments amb 506 interruptors, 71 llums pilot i 40 indicadors. En l’electrònica i la informàtica d’aquell moment encara predominava el control humà sobre les màquines.

Els primers llançaments del programa Apollo (després de la desgràcia de l’Apollo 1, que es va cremar a terra durant la prova d’enlairament, amb tres astronautes a bord) es van dedicar al perfeccionament del sistema. L’Apollo 8 va ser el primer que emprengué el camí cap a la Lluna, la qual va ser circumnavegada pels astronautes el dia de Nadal del 1968. Els dos vols subsegüents van realitzar una sèrie de maniobres en òrbita. Finalment, l’Apollo 11, tripulat per Neil Armstrong, Edwin Aldrin i Michael Collins, va assolir la gran fita la nit del 20 al 21 de juliol de 1969. L’Apollo 12, comandat per Charles Conrad, va allunar a l’Oceà de les Tempestes prop d’una sonda Surveyor, les restes de la qual van ser visitades pels astronautes. L’Apollo 13 va ser l’única missió desafortunada, ja que l’explosió d’un dipòsit d’oxigen durant el viatge d’anada va obligar el comandant James Lovell a renunciar a l’allunatge i a activar un pla d’emergència per tornar després d’una circumnavegació lunar forçada. Amb l’Apollo 14 s’amplià el radi de les exploracions i els astronautes se serviren d’un vehicle per a transportar les mostres de roca recollides. Les missions Apollo 15,16 i 17 van disposar d’un vehicle tot terreny que va permetre als astronautes recórrer una desena de quilòmetres entorn del punt d’allunatge. Amb la tornada de l’Apollo 17, el 19 de desembre de 1972, el programa d’exploració lunar es va concloure anticipadament. La divuitena i última missió va haver de ser anul·lada, per manca de finançament i perquè els objectius científics s’havien assolit a bastament. Una nova missió Apollo, però aquest cop en òrbita terrestre, va tenir lloc al juliol del 1975 amb la finalitat de fer possible l’acoblament d’una astronau nord-americana amb la soviètica Sojuz. Però va ser un esdeveniment més aviat de caràcter diplomàtic que no pas científic.

Sondes enviades a altres planetes

L’exploració dels altres planetes del sistema solar es va iniciar el 1961 amb el llançament d’una sonda espacial soviètica dirigida a Venus. Però la primera sonda interplanetària, la nord-americana Pioneer 5, ja s’havia llançat l’11 de març de 1960 i havia entrat en l’òrbita solar amb l’objectiu d’estudiar l’espai còsmic. El contacte amb la sonda es va mantenir fins als 35 milions de quilòmetres, noranta vegades la distància entre la Terra i la Lluna. Durant els trenta anys següents es van enviar diverses sondes a tots els planetes, llevat de Plutó; en els casos de Venus i Mart, les sondes transportaven robots per analitzar-ne de manera directa la superfície i l’atmosfera.

Les sondes interplanetàries viatgen essencialment per inèrcia, gràcies a l’impuls rebut en les diverses fases del llançament. El seu recorregut pot experimentar modificacions ja sigui mitjançant uns petits motors de coet que es poden activar des de la base terrestre via ràdio, ja sigui aprofitant el camp gravitacional dels cossos celestes als quals s’aproximen. Pel que fa a les sondes que mantenen una certa proximitat respecte al Sol, l’alimentació elèctrica dels instruments de bord queda assegurada gràcies a unes plaques de cèl·lules fotovoltaiques; en canvi, les sondes que es desplacen a grans distàncies (més enllà de Mart) estan proveïdes de petits generadors nuclears de plutoni. Vegem ara breument les exploracions planetàries més importants del sistema solar (vegeu també “A la descoberta de l’univers”).

Mercuri, que és el planeta més proper al Sol, va ser estudiat i fotografiat a fons per la sonda Mariner 10. Gràcies als càlculs precisos del seu recorregut, la sonda nord-americana, després d’haver explorat Venus, va girar tres vegades al voltant del planeta (als mesos de març i setembre del 1974 i al mes de març del 1975). Les imatges obtingudes a una distància mínima de 650 km mostren una superfície recoberta de cràters produïts, com en el cas de la Lluna, per un bombardeig intens de meteorits.

Venus és un planeta de dimensions similars a les de la Terra, i ha estat l’objectiu de nombroses missions nord-americanes i soviètiques. Aquestes últimes són les que van obtenir un èxit més important. El 1967 va arribar la primera sonda a l’atmosfera venusiana, mentre que a l’octubre del 1975 la Venera 9 va entrar en òrbita al voltant del planeta; estava composta d’un mòdul destinat a l’“aterratge” sobre Venus, del qual va transmetre dades i imatges durant 53 minuts, malgrat la temperatura i la pressió elevades (500°C i 90 atm). L’operació es va repetir amb la Venera 10. El 1978 es va programar la primera missió nord-americana a Venus, paral·lelament a una missió soviètica anàloga. Mentre que la sonda Pioneer-Venus 1 estava destinada a circumval·lar el planeta en una òrbita molt el·líptica, la segona sonda Pioneer-Venus 2, llançada el 8 d’agost de 1978, va enviar al planeta cinc ginys proveïts de paracaigudes. Al desembre següent, amb alguns dies de diferència respecte a les sondes nord-americanes, arribaven al planeta quatre sondes soviètiques que formaven part de les Venera 11 i Venera 12. A més, el 1984, abans de prosseguir el viatge cap al cometa Halley, dues sondes Vega van llançar sengles globus sonda que van proporcionar informació de gran interès relativa a la atmosfera venusiana des de 40 km d’altura. Les missions nord-americanes, entre les quals destaca la Magellan (1989-90), van fotografiar el relleu de la superfície del planeta mitjançant tècniques de radar.

Les primeres dades referents a l’atmosfera de Mart les va proporcionar la sonda soviètica Mars 2 el 1971. Aquell mateix any, la nau nord-americana Mariner 9 va iniciar el reconeixement fotogràfic del planeta, que va concloure l’any següent amb l’obtenció de més de 7 000 imatges, algunes de les quals mostraven per primer cop l’aspecte dels dos petits satèl·lits Deimos i Phobos. Entre el 1975 i el 1976, dues sondes nord-americanes Viking van aterrar a Mart, en van analitzar la superfície i van efectuar tres experiments per investigar-ne la possible existència de formes de vida: els resultats van ser negatius. La missió soviètica marciana, parcialment fallida, amb la nau Phobos (1989), va consistir en el llançament de dues sondes: la primera, que havia d’intentar l’aterratge al satèl·lit homònim, es va perdre a l’espai per un error de control; l’altra, activa durant poc temps, va analitzar la superfície de Mart a gran escala i va estudiar el satèl·lit Phobos.

Al juliol del 1997, la sonda nord-americana Mars Pathfinder va aterrar a la superfície de Mart. Duia un vehicle robot de sis rodes, el Sojourner, que va explorar l’àrea prop de l’aterratge i en va obtenir mostres per a la seva anàlisi, a més d’enregistrar i enviar moltes imatges a la Terra. Però, fins ara, continua sense poder-se confirmar la hipòtesi segons la qual Mart hauria pogut aixoplugar vida en el passat. No és previst fins al 2005 l’enviament d’una nau, el Surveyor, que farà arribar una sonda al planeta per a recollir-ne mostres que per primera vegada es portaran a la Terra.

Pel que fa a Júpiter, les primeres missions relatives al més gran dels planetes van ser protagonitzades per les sondes Pioneer 10 i 11, el 1973 i el 1974 respectivament. Les imatges en color van revelar la complexa circulació atmosfèrica de Júpiter i l’aspecte dels satèl·lits principals (Ió, Europa, Ganimedes i Cal·listo). La Pioneer 10 va ser la primera sonda que va traspassar els confins del sistema solar (el 13 de juny de 1983) amb l’objectiu d’entrar al sistema de l’estrella més propera (Alfa del Centaure) d’aquí a 26 000 anys. A bord porta una placa dissenyada per l’astrònom nord-americà Carl Sagan —la qual il·lustra les guardes d’aquesta obra— amb informació sobre la seva procedència i sobre la humanitat en general, destinada a fornir unes dades essencials a un eventual ésser extraterrestre que pogués trobar la sonda. L’estudi de Júpiter es va poder aprofundir gràcies a les sondes Voyager 1 i 2, que el 1979 van enviar imatges molt nítides del planeta i dels seus satèl·lits, les quals van possibilitar la descoberta de volcans actius a Ió. Aquestes sondes també duien un missatge a bord consistent en un disc amb múltiples dades sobre la civilització humana, amb sons naturals (com el brogit d’una cascada o la remor del vent) i artificials (com la turbina d’un avió i fragments de música clàssica i de rock). A l’octubre del 1989 es va llançar la sonda nord-americana Galileo, amb destinació a Júpiter. Hi va entrar en òrbita al desembre del 1995. La Galileo va enviar una petita sonda a Júpiter, que va poder penetrar uns 600 km en l’atmosfera del planeta abans de ser destruïda. Durant 57 minuts va estar enviant, a més d’informacions meteorològiques, dades molt rellevants sobre la composició química de l’atmosfera joviana. En els seus dos anys de vida previstos, la Galileo ha fet moltes mesures de la magnetosfera de Júpiter i també s’ha acostat a diversos satèl·lits del planeta, com Ió, Ganimedes, Cal·listo i Europa, que ara es coneixen molt millor.

L’exploració de Saturn va ser la continuació de les missions del Pioneer 11 (d’un pes de 258 kg) i dels dos Voyager (de 825 kg de pes, i amb una antena parabòlica de 3,7 m de diàmetre). A fi de reorientar degudament l’itinerari de les naus es va recórrer al “cop de fuet” produït per la tracció gravitacional de Júpiter, una tècnica que es faria servir més endavant per a dirigir el Voyager 2, primerament cap a Urà i després cap a Neptú. Les tres sondes nord-americanes van mostrar que els anells de Saturn són milers de petits eixams de residus glaçats en òrbita al voltant del planeta i agrupats en un delicat equilibri gravitacional. Les sondes també han fet possible la descoberta de nombrosos satèl·lits menors, amb la qual cosa s’ha pogut obtenir una imatge molt detallada de la meteorologia de Saturn.

Urà va ser sobrevolat el 24 de gener de 1986 pel Voyager 2, després de vuit anys de viatge, a una distància de 3 000 milions de km de la Terra, i a una velocitat de 72 000 km/h. La sonda va confirmar l’existència de nou anells molt prims de detritus glaçats i va descobrir 10 satèl·lits menors. Pel que fa als altres cinc satèl·lits coneguts, en va revelar alguns detalls superficials.

El Voyager 2 va arribar a Neptú el 24 d’agost de 1989. En va descobrir sis nous satèl·lits, va mostrar la superfície dels ja coneguts (Tritó i Nereida) i va revelar la intensa circulació atmosfèrica del planeta, caracteritzada per sistemes nuvolosos de color blau sobre els quals destaquen petits núvols negres o clars. Està previst que la missió del Voyager 2, d’un pressupost global de 850 milions de dòlars, continuï fins el 2017, any en què s’exhaurirà el generador nuclear de plutoni que alimenta la ràdio transmissora. D’aquesta manera es pretén identificar l’heliopausa, és a dir el punt en què la densitat d’energia del vent solar iguala la del medi interestel·lar.

A més dels planetes del sistema solar, cal destacar també els cometes, uns cossos celestes que han estat considerats uns objectes ben misteriosos. Però, el 14 de març de 1986, quan la sonda Giotto de l’Agència Espacial Europea (ESA) va aconseguir passar a tan sols 600 km del cometa Halley, la telecàmera de bord va enregistrar les imatges d’un nucli de glaç cobert per una crosta fosca de pols de carboni. La forma del nucli presentava una forma irregular, com la d’un roc, d’una grandària de 15 2 8 km. Contràriament a les previsions, el nucli apareixia gairebé negre, amb un poder reflector molt baix. En canvi, el que desprenia llum era el flux de pols i de vapor que la calor solar feia brollar del nucli, la qual cosa originava la cabellera i la cua. A la crosta del nucli es podien distingir esquerdes i petits cràters. Es va poder recollir informació complementària gràcies a les dues sondes soviètiques Vega i a les sondes japoneses Sakigake i Suisei, per bé que passessin a una gran distància del nucli del cometa.

L’activitat espacial europea

Els principals estats europeus implicats en l’activitat espacial van constituir el 1975 l’Agència Espacial Europea (ESA), un organisme encarregat de desenvolupar la cooperació entre els estats membres en els diversos àmbits de la recerca i de la tecnologia espacial i de les aplicacions científiques corresponents. Actualment hi participen catorze estats europeus (Alemanya, Àustria, Bèlgica, Dinamarca, Espanya, Finlàndia, França, Holanda, Irlanda, Itàlia, Noruega, Regne Unit, Suècia i Suïssa). La seva activitat es distribueix en tres centres: el Centre Europeu de Recerca i de Tecnologies Espacials (ESTEC), situat a Noordwick, destinat a la construcció de vehicles espacials; el Centre Europeu d’Operacions Espacials (ESOC), amb seu a Darmstadt i amb diverses estacions, encarregat del control dels satèl·lits, i l’Institut Europeu de Recerques Espacials (ESRIN), amb seu a Frascati.

Amb la intenció de tenir un accés independent a l’espai, l’ESA ha desenvolupat els seus propis coets, els Ariane, el primer vol dels quals va tenir lloc el 1979. La sèrie Ariane 4 va iniciar la seva activitat el 1988, amb la capacitat de posar en òrbita càrregues de 4 tones. El 1997 va ser envolat amb èxit el segon Ariane 5 —el primer havia estat un fracàs—, i un any després han començat els seus vols comercials. Actualment, els Ariane dominen més de la meitat del mercat comercial per al llançament de satèl·lits.

Recordem alguns dels projectes més importants duts a terme o que té previstos l’Agència Espacial Europea. El Spacelab és un laboratori espacial creat per l’ESA i utilitzat per primera vegada en el marc de la missió de la llançadora Columbia el 1983; va consistir en un equip de cinc persones que durant deu dies van realitzar una sèrie d’investigacions multidisciplinàries. Les missions Spacelab continuen avui les seves tasques de recerca.

Pel que fa a les telecomunicacions, el primer satèl·lit de l’ESA, l’OTS, va ser llançat el 1978. El 1989 va ser posat en òrbita el satèl·lit experimental Olympus, que va romandre actiu fins el 1993. Tenia una massa de 3 300 kg i, amb els panells solars desplegats, mesurava 25 m d’amplada. L’any 2000, en col·laboració amb l’agència espacial japonesa NASDA, és previst el llançament de l’Artemis, un altre satèl·lit de comunicacions, que entre moltes activitats experimentarà una nova tecnologia per a la transmissió de dades entre satèl·lits per la via convencional d’ones ràdio o per mitjà de raigs làser.

La sonda Ulysses, llançada el 1990, és un satèl·lit astrofísic destinat a girar al voltant del Sol. El sistema que es va triar per a posar-la en una òrbita solar predeterminada és particularment interessant, ja que la sonda es va dirigir cap a Júpiter i seguidament es va desviar cap al Sol aprofitant el fort impuls imprès per l’enorme atracció gravitacional del planeta. Un altre satèl·lit europeu és Hipparcos, col·locat en una òrbita geostacionària el 1989; acompleix una funció astromètrica, ja que estudia la posició, el moviment i la distància de 100 000 estrelles i, d’aquesta manera, contribueix a consolidar els fonaments d’un atles estel·lar perfeccionat. D’altra banda, s’ha d’esmentar l’Eureca, llançat el 1991, la primera plataforma d’instrumentació en òrbita reutilitzable per a missions posteriors. També hem de citar el projecte del CTV (Crew Transport Vehicle o ‘vehicle de transport de la tripulació’), successor del programa Hermes, que portarà els astronautes a l’estació espacial ISS. En aquesta estació, l’ESA hi instal·larà el mòdul laboratori Columbus (Columbus Orbital Facility), pressuritzat, de forma cilíndrica (4,5 m de diàmetre i 6,7 m de longitud), que permetrà realitzar moltes experiències en condicions de microgravetat, és a dir, amb una gravetat pràcticament nul·la. El seu llançament és previst per al final del 2002 o començament del 2003.

Pel que fa als satèl·lits d’observació, els Meteosat —el primer dels quals va ser llançat el 1977 i el setè, i darrer, el 1997— han esdevingut populars arran de les informacions que proporcionen per a l’elaboració dels mapes dels temps que presenten cada dia els serveis informatius de les televisions. L’Ers 1, llançat el 1991, i l’Ers 2, llançat el 1995, de 2 tones cadascun, són satèl·lits d’observació terrestre molt sofisticats. Orbiten a 780 km d’altura i poden transmetre 120 megabits de dades per segon. Els satèl·lits Ers proporcionen imatges molt detallades de la superfície de la Terra; els seus instruments determinen contínuament i globalment els moviments dels vents i de les aigües oceàniques, i en calculen les temperatures. L’Ers 2 disposa d’instrumental especial per a mesurar l’ozó estratosfèric. El 1999 és previst el llançament de l’Envisat 1, el primer d’una nova generació de satèl·lits d’observació terrestre. A més, el Metop 1, que serà suposadament posat en òrbita el 2000, oferirà dades molt precises sobre els núvols i la humitat i la temperatura de les capes atmosfèriques.

Altres projectes de l’ESA, encara vigents, inclouen el Soho, un satèl·lit llançat el 1995 en col·laboració amb la NASA, dedicat a l’observació solar. També aquell any va ser posat en òrbita el satèl·lit ISO d’observació en la banda infraroja de l’espectre electromagnètic, que va enllestir la seva missió a l’abril del 1998. En un altre projecte de col·laboració, la nau Cassini, de la NASA, enviada el 1997 en direcció a Saturn, on ha d’arribar el 2004, transporta la sonda Huygens, de l’ESA, que serà llançada en paracaigudes a l’atmosfera de Tità, un dels setze satèl·lits jovians, per estudiar-ne, a més de l’atmosfera, la superfície.

Problemes de supervivència de l’home a l’espai

L’atmosfera terrestre es va rarificant a mesura que augmenta la distància respecte del nivell del mar; per damunt dels 60 km d’altura, es pot dir que és pràcticament inexistent i, consegüentment, no hi ha pressió baromètrica. A més, a la baixa estratosfera, la temperatura descendeix fins a valors de –50 i –60°C, per tornar a pujar novament fins a una temperatura superior a 2 000°C als estrats més alts de la ionosfera, en els quals, però, la transmissió de la calor es produeix només per irradiació. Evidentment, hi ha una manca absoluta de vapor d’aigua. Tenint en compte això, s’entén per què és impossible la supervivència de qualsevol ésser viu terrestre en el medi espacial. Tan sols alguns organismes podrien resistir-ho en certa mesura en forma d’espores, a condició d’estar protegits de la radiació ultraviolada.

Naus i escafandres espacials

La supervivència dels astronautes a l’espai depèn d’estructures que els aïllin del medi que els envolta, i que reprodueixin al màxim les condicions ambientals terrestres. En aquest sentit, les naus espacials han estat projectades de manera que responguin a una sèrie d’exigències. En primer lloc, s’ha d’assegurar l’habitabilitat d’un espai en què els astronautes puguin allotjar-se i efectuar les operacions requerides. Aquest espai ha de posseir les condicions idònies de pressió, temperatura i atmosfera respirable. L’equilibri tèrmic s’obté mitjançant bescanviadors de calor que expulsen l’excés de calor a l’exterior.

Per a la realització de treballs fora de la nau, els astronautes han de protegir-se amb escafandres especials. Es tracta d’uns equips que disposen bàsicament d’un circuit de respiració i de ventilació, a més d’un sistema adequat de protecció solar.

ECSA

En segon lloc, és necessari garantir la protecció de les influències externes, a partir del flux de diverses classes de radiacions presents a l’espai, incloent-hi les radiacions específiques de la calor, que, irradiada a l’exterior de les parts no il·luminades de la nau o en el pas de les zones d’ombra, pot fer abaixar perillosament la temperatura interna o, viceversa, sobreescalfar-la en el cas d’una llarga exposició. Pel que fa a la calor, la necessitat de protecció és especialment important durant el descens del vehicle a través de l’atmosfera, a causa del sobreescalfament de les superfícies externes per la fricció amb l’aire a gran velocitat.

Per últim, no es pot negligir l’exigència de garantir una certa comoditat a la tripulació. Les naus espacials més modernes estan proveïdes de dipòsits per a queviures (els aliments, força variats, es conserven normalment deshidratats i s’han de rehidratar abans de consumir-los), serveis higiènics amb aigua freda i calenta i llits fixats a les parets de la nau per evitar la “flotació” deguda a l’absència de gravetat.

A més, les exigències d’habitabilitat s’han de fer extensibles a les sortides previstes de l’ambient climatitzat del vehicle espacial, a fi de dur a terme certs experiments, activitats de reparació o tasques de recerca a l’espai exterior. Amb aquesta finalitat, existeixen uns escafandres espacials que, tot i assemblar-se als seus homònims marins, acompleixen la funció oposada, en la mesura que protegeixen els astronautes, no pas d’un excés de pressió, sinó d’una manca absoluta d’atmosfera en un ambient de pressió nul·la. Els escafandres, proveïts de respiradors i de sistemes de recepció i transmissió per a les comunicacions amb l’interior de la llançadora i amb la base terrestre, estan constituïts per diverses capes de materials aïllants especials.

Els efectes de la apesantor en els astronautes

Quan un ascensor accelera verticalment cap amunt, tenim la sensació de pesar més, mentre que quan ho fa cap avall, sembla que pesem menys. En un cas extrem de trobar-nos en un ascensor en caiguda lliure, no pesaríem gens, estaríem flotant dins de l’ascensor, exactament com si es tractés d’una situació d’ingravitació. Els astronautes s’entrenen per afrontar la situació d’ingravitació que experimentaran quan siguin en òrbita per mitjà d’un avió especial que s’enlaira a prou alçada i després fa una caiguda lliure durant un temps breu, de l’ordre de mig minut, per recuperar tot seguit el control. Sempre que ens trobem dins d’una cabina (d’ascensor, d’avió o de satèl·lit) en caiguda lliure, és a dir, deixada lliurement a l’acció de la gravetat, ens sentirem en el seu interior com si no existís camp gravitatori. Els astronautes d’una estació espacial en òrbita al voltant de la Terra viuen aquesta situació, perquè l’estació espacial es troba “en caiguda lliure”, encara que aquesta expressió no vol dir que la nau hagi de caure a la Terra, ja que la velocitat que du en la direcció perpendicular a la que seria de caiguda a la Terra li permet donar-hi voltes sense caure-hi (vegeu “La gravitació universal”). A més, en trobar-nos a l’espai en aquesta situació d’absència de pes (apesantor) respecte de l’habitacle que ens envolta és possible, com veurem de seguida, de crear el que s’anomena gravetat artificial. Fixem-nos en una atracció de fira que consisteix en una paret cilíndrica, de dos o tres metres d’altura, que es posa a girar al voltant d’un eix central. Els qui han pujat en aquesta atracció, situats inicialment dempeus i d’esquena a la paret, noten una força —més intensa com més ràpida és la rotació del cilindre— que els pressiona contra la paret. Aquesta “força”, creada artificialment per efecte de la rotació, s’anomena força centrífuga. És la mateixa “força” que fa que no caigui l’aigua de la galleda quan la posem cap per avall amb prou rapidesa. Ara aquesta força ens fa sentir el nostre pes contra la paret vertical del cilindre que gira en comptes del pes habitual, que és contra el terra horitzontal. És la gravetat artificial. Per a estades prolongades a l’espai, per exemple en expedicions que poden durar mesos o anys, es creu que serà convenient que els navegants puguin gaudir d’un ambient amb gravetat artificial, ja sigui permanentment, amb una rotació contínua de la nau, o bé temporalment, utilitzant les instal·lacions interiors adients, per tal de contrarestar els efectes perniciosos de la situació d’ingravitació sobre l’organisme.

Atès que tot en el nostre planeta se sotmet, des de sempre, a la força de gravetat i que, consegüentment, cap ésser viu no ha pogut desenvolupar cap mena d’adaptació a l’absència d’aquesta força, és evident que aquesta condició ha d’exercir una influència variada i profunda sobre bona part de les funcions i dels aparells de l’organisme humà. Un problema que comparteixen gairebé tots els astronautes els dos o tres primers dies de navegació és el que s’anomena mal de l’espai. Es tracta d’un vertigen causat pel fet que els òrgans d’equilibri, situats a l’orella interna, el funcionament dels quals depèn de la gravetat, pateixen una desorientació a causa de l’absència de pes. L’exercici físic i els fàrmacs poden alleujar aquesta molèstia, però no la poden eliminar del tot.

Un altre fenomen produït per les condicions particulars de gravetat és l’alteració de la distribució dels líquids —especialment de la sang—, que es desplacen dels membres inferiors i de l’abdomen cap al tòrax i al cap. Això provoca, en aquestes zones, un augment de la pressió capil·lar, turgescències dels teixits del cap i del coll, una intensificació de la pressió venosa jugular i un emplenament superior dels vasos pulmonars. L’individu experimenta sensacions desagradables de tensió cranial, amb cefalea, els teixits superficials del cap i del coll s’inflen i els dels membres inferiors es contreuen. La quantitat de glòbuls vermells disminueix, com també les defenses immunitàries. Pel que fa als músculs, tendeixen a debilitar-se per la manca d’exercici. Els ossos, en no ser estimulats per la càrrega del pes, es descalcifiquen i es tornen fràgils (osteoporosi espacial). D’altra banda, determinats experiments duts a terme amb animals han demostrat que la fertilitat a l’espai disminueix, i que les radiacions còsmiques representen un perill per al genoma humà. De tota manera, sembla que no hi ha cap problema que no es pugui resoldre i res no impedirà a l’home de viure durant períodes relativament llargs en un ambient extraterrestre. També s’ha especulat sobre les possibles adaptacions que l’organisme humà desenvoluparia a l’espai.

Gravetat artificial en català

Per gravetat artificial s’entén la creació d’una acceleració en un ambient on no hi ha gravetat, com és el cas de l’espai, a fi de simular la força de la gravetat de la Terra, a la qual estem habitualment subjectes tots els éssers vius i els objectes terrestres de tota mena.

La gravetat artificial només es pot aconseguir per mitjà d’aparells rotatoris, com les centrífugues o les plataformes rotatòries. Però els éssers vius no estem acostumats al moviment rotatori. Cal, doncs, estudiar-ne els efectes que pugui ocasionar als éssers humans, els animals i les plantes abans d’equipar les naus i les estacions espacials amb gravetat artificial.

Una proposta interessant en aquest camp és la centrífuga dissenyada pel metge cardiòleg i matemàtic català David Cardús (Barcelona, 1922), de fa molts anys professor de fisiologia i rehabilitació al Baylor College of Medicine de Houston, a Texas (EUA). Es tracta d’un aparell pensat bàsicament per a estudiar els efectes de la gravetat artificial sobre els diversos sistemes de l’organisme humà.

La centrífuga AGS (Artificial Gravity Simulator) està formada per quatre llits, disposats en creu, situats sobre una plaforma giratòria, la velocitat de gir de la qual determina la gravetat artificial que es vol aconseguir. Com que el cap de la persona que hi és estirada queda situat sobre l’eix de rotació de la centrífuga, s’eviten trastorns en el sistema vestibular, responsable del control de l’equilibri. Permet també condicionar fisiològicament el sistema cardiovascular dels astronautes en sotmetre’l artificialment a una gravetat equiparable a la terrestre.

Però l’aparell AGS, a més de poder proporcionar gravetat artificial per als vols interplanetaris, aporta igualment una experiència tecnològica aeroespacial que és aplicable a l’àmbit de la medicina terrestre. Així, experimentalment, s’ha fet servir per a crear una força horitzontal sobre el malalt, que està estirat boca amunt en una de les cabines, una força que va del cap als peus, de manera que fa l’efecte que el pacient estigui dret. La generació d’aquesta gravetat artificial podria ajudar a mantenir en bones condicions l’aparell cardiovascular dels malalts que no poden assumir la posició vertical, com és sovint el cas dels pacients tetraplègics.

Característiques físiques i psicològiques dels astronautes

La consideració d’aquestes característiques és de gran importància per a l’èxit de les activitats espacials (com, de fet, de qualsevol activitat humana) i s’ha de fer abans que el vol es porti a terme, en les fases prèvies de selecció i d’entrenament. En la primera fase, s’han de valorar, a més de la plena idoneïtat de l’individu respecte a l’activitat espacial, les qualitats específiques, com ara la resistència a la hipergravetat i a condicions que creen una gran desorientació o que reprodueixen la microgravetat (exercicis de rotacions múltiples i d’immersió). També s’ha de tenir en compte si el candidat presenta els trets de personalitat considerats més adients per a superar dificultats i assumir riscos en part imprevisibles. La fase d’entrenament té diversos objectius, que inclouen tant la preparació física (de característiques especials, en la mesura que un entrenament atlètic molt fort empitjora l’adaptació a la microgravetat), integrada en un entrenament aeroespacial específic, com la preparació professional i el coneixement i la pràctica aprofundida de les diverses tasques especials que es realitzen durant el vol. Aquesta fase té com a finalitat reforçar la cohesió del petit grup que formarà la tripulació definitiva i l’adaptació a la vida en comú durant setmanes, mesos i fins i tot anys en un espai limitat de dimensions molt reduïdes, amb poques comoditats, amb dificultats inevitables i amb possibles complicacions en les relacions interpersonals que inevitablement solen sorgir, fins i tot entre persones tècnicament ben preparades que comparteixen una forta motivació comuna i un mateix objectiu a assolir. L’experiència acumulada en aquest sentit ha demostrat la importància cabdal dels trets de comportament innats i adquirits pel que fa al rendiment i a l’entesa dels membres de la tripulació.

El viatge espacial

Quadre 60.1 Durada aproximada d’un viatge espacial (anada i tornada) segons la velocitat de la nau.

ECSA

Quan es consideren les dimensiones astronòmiques que hi són implicades, l’eventualitat d’un viatge espacial tripulat als estels més propers és encara enormement lluny de les possibilitats tecnològiques actuals. Un dels problemes consisteix en la càrrega tan notable de combustible que hauria de dur la nau.

Pensem, per exemple, en un viatge a Alfa del Centaure (Proxima Centauri), que és a 4,3 anys llum del Sol. Si consideréssim una propulsió per reacció a base de fusió nuclear controlada i una acceleració de la nau fins a assolir una velocitat que fos el 99% de la velocitat de la llum, caldria una quantitat de combustible tan inimaginablement gran, que representaria en pes molts milions de vegades el propi pes de la nau. Una solució possible a aquest problema d’haver de dur tant de pes podria ser recollir durant el viatge matèria interestel·lar amb una “escombra espacial” per a fer-la servir de combustible, si bé la nau hauria de desplaçar-se a una velocitat molt més baixa. Una altra possibilitat és la consideració de viatges a velocitats encara més lentes, amb una durada d’alguns centenars d’anys. Però un viatge tan lent ja no aprofitaria tant els efectes relativistes predits per Albert Einstein, i verificats en altres contextos, sobre la manera com transcorre el temps per als astronautes i per als qui s’han quedat a la Terra (vegeu “El temps”).

Així, en un viatge d’anada i tornada a una distància de 10 anys llum, efectuat a una velocitat del 99% de la de la llum (ignorant, però, els efectes d’acceleració inicial, final i intermèdia, per tal que l’exemple sigui senzill), la tripulació hi invertiria 2,8 anys, mentre que, per als amics i els familiars que els anessin a rebre a la tornada, haurien passat més de 20 anys. En canvi, a una velocitat del 30% de la velocitat de la llum, el temps transcorregut per a la tripulació seria de 63,6 anys, davant dels 66,6 anys que haurien passat per als qui s’haguessin quedat a la Terra (vegeu el quadre 60.1, “Durada aproximada d’un viatge espacial (anada i tornada) segons la velocitat de la nau”).