Cuando, en 1865, Julio Verne escribe su "De la Tierra a la Luna" imagina un cañón vertical gigante, hundido en el suelo, no muy lejos del hoy Cabo Cañaveral. Los astronautas de su novela montan en una vaina gigante que, providencialmente, falla su alunizaje y retorna sin daño a la Tierra. Muchos detalles del libro de Verne contradicen la física, y ningún astronauta podría sobrevivir al alunizaje: pero un cañón capaz de alcanzar el espacio, no es algo imposible. Dado que la vaina dentro del cañón acelera a una razón constante de a (m/s2). De las ecuaciones del movimiento con aceleración constante (desarrolladas anteriormente para la caída de objetos, cuya aceleración a igual a g@10 m/s2,si t (en segundos) es el tiempo consumido acelerando, la velocidad final en (m/s) es v = at y la distancia cubierta, en metros s = at2/2 De la primera ecuación, t = v/a. Substituyendo en la 2ª ecuación obtenemos, después de varios pasos v2 = 2as Supongamos que el tubo del cañón tiene una milla de largo (@ 1600 metros) y la velocidad final v, con la que surge la vaina, es la velocidad de escape de la superficie de la Tierra v = vesc. = 11,300 m/sec
Un cálculo rápido nos da a ≈ 40,000 m/s2 ≈ 4000 g La fuerza sobre la vaina y sobre los pasajeros en el interior será 4000 veces más fuerte que la gravedad. Una persona debidamente sostenida, como un astronauta en la lanzadera, apoyado sobre su espalda, puede resistir aceleraciones de hasta 6g. Doblar esta cifra causará pérdida de consciencia y cualquier aceleración mayor que esta puede causar la rotura de los órganos y venas. No, un cañón no es una forma sensata de enviar gente al espacio. No obstante, cargas inertes (agua, alimentos, combustible), pueden, en principio, enviarse al espacio usando un enorme "super-cañón". El problema aquí es que una vaina de cañón no puede correr más que las moléculas que lo empujan a lo largo del tubo. La velocidad de estas moléculas, a cualquier temperatura, puede calcularse desde las leyes de la física. Si comparamos diferentes gases, encontramos que a cualquier temperatura, la energía (1/2) mv2 de su moléculas, ¡no su velocidad! es siempre la misma. A una temperatura dada, por consiguiente, cuanto menor es la masa m de una molécula de gas, más rápido se mueve. Las moléculas producidas por la pólvora sin humo, usada en los cañones militares, es muy pesada y por consiguiente, muy lenta para enviar cargas al espacio. La molécula mejor y la más ligera para este trabajo, la que a una temperatura dada tiene la mayor velocidad, es el hidrógeno. Desgraciadamente, ningún explosivo práctico genera gas hidrógeno. La solución es usar un cañón con dos tubos conectados, un tubo auxiliar igual que el principal en el que se acelera la carga (vea el dibujo). Los dos tubos son perpendiculares entre si y están separados por un compartimento que se hace pedazos cuando la presión en él se hace demasiado alta. Mejor que una vaina, el tubo auxiliar lleva un pistón pesado,
y su volumen, entre el pistón y el compartimento, se llena con hidrógeno
comprimido. Cuando la carga explosiva en el otro lado del pistón
se enciende, el pistón sobre el tubo auxiliar, comprimiendo el hidrógeno
por delante de él aún más y lo calienta. En un momento
determinado, la presión del hidrógeno caliente es capaz de
romper el compartimento, por lo que fluye al tubo principal e impulsa la
carga que está allí. La carga entonces es empujada, no por
los gases de la explosión, sino por el hidrógeno caliente
comprimido, cuyas moléculas son lo suficiente rápidas para
el trabajo
Realmente se está construyendo un cañón de este tipo, llamado SHARP -- HARP, de High Altitude Research Project, un antiguo proyecto de "cañón espacial" (vea la sección #30a), y S de "Super". El SHARP se usa por el laboratorio de armamento de Livermore, cerca de San Francisco, para el estudio del vuelo de vehículos espaciales y de proyectiles, hasta más de 8-9 veces la velocidad del sonido. La explosión que empuja su pistón no se produce con pólvora, sino con una mezcla de metano y aire, comprimida hasta unas 55 veces la presión atmosférica y luego encendida. El pistón pesa 1 tonelada, el tubo principal tiene 155 pies (47 metros) de largo y el proyectil surje dentro de una gran llama de hidrógeno que se quema en la atmósfera. Tan espectacular como es el SHARP, pero sus proyectiles no pueden ir lejos en el espacio, aunque sus tubo estuviera vertical, como en el cañón de Julio Verne. Su velocidad aún está lejos de la necesaria para un movimiento estable en el espacio, que es unas 24 veces la velocidad del sonido para una órbita circular de baja altitud, 34 veces para escapar completamente de la gravedad de la Tierra. John Hunter, diseñador del SHARP, sueña con una versión mucho mayor, incrustada en la ladera de una montaña y enviando cargas al espacio, pero aún con este cañón monstruoso los problemas persisten. La resistencia del aire, aún en la cima de una montaña, es lo suficiente alta para privar a la carga de algo de de su velocidad y necesitará un escudo de calor en el frente de la carga.
Un cañón capaz de menores velocidades aún puede ser un herramienta efectiva para estudiar la alta atmósfera, entre 50 y 130 km.. Los científicos encuentran dificultades para alcanzar esa altitud, muy alta para los globos, pero muy baja para los satélites. Se necesitarán cohetes para alcanzarla, pero un cañón puede ser más barato, como se demostró por el proyecto HARP en los años1960. Existen planes para acelerar una carga mediante fuerzas magnéticas sobre un "cañón de raíl", consistiendo en unos conductores paralelos, a los que se les aplica una corriente eléctrica muy fuerte. Los mismos problemas aplicados aquí, más el añadido del almacenaje y liberación instantánea de la gran cantidad de energía eléctrica. Esta tecnología puede ser apropiada para usarse sobre la Luna, un algún lejano futuro (tal y como sugirió Arthur Clarke en una de sus historias), pero aún estamos en un una etapa temprana del cañón espacial. |
Además,
la carga tendrá que incluir un cohete. En primer lugar, alcanzar
una velocidad orbital (!con un margen extra para la resistencia del aire¡)
es difícil usando solo un cañón. Y segundo, debido
a la 1ª ley de Kepler, cualquier órbita es una elipse con un
foco en el centro de la Tierra. Si
la carga se lanza desde el punto A sobre la superficie de la Tierra, necesariamente
su órbita interseccionará la superficie de nuevo en el punto
simétrico B. Por lo que es esencial un ajuste orbital.