Juice: ¿por qué tarda tanto?

¿Líneas rectas en el espacio? Desperdicio masivo de energía

Seguiendo el movimiento de los planetas, lunas, estrellas y galaxias, se observa que siempre están en movimiento alrededor de otro objeto. Las misiones no se lanzan desde una Tierra inmóvil, sino desde un planeta que gira a unos 30 km/s alrededor del Sol. 

Por lo tanto, una nave espacial lanzada desde la Tierra ya dispone de una gran cantidad de «energía orbital», la única unidad relevante para determinar el tamaño de una órbita alrededor de un cuerpo central. Justo después del lanzamiento, una sonda espacial se encuentra más o menos en la misma órbita que nuestro planeta alrededor del Sol. 

Para escapar de esta órbita y volar en una línea recta lo más corta posible de la Tierra a Júpiter, se necesitaría un gran cohete y mucho combustible. Aunque parezca difícil, no es imposible. El siguiente problema sería que se necesitaría aún más combustible para frenar y entrar en órbita alrededor de Júpiter para no pasar de largo rápidamente.

Apuntando al espacio vacío

Júpiter y la Tierra siempre se mueven uno con respecto al otro. En su punto más alejado, en los lados opuestos del Sol, su separación es de 968 millones de kilómetros. La distancia más corta entre los dos planetas ocurre  cuando la Tierra y Júpiter se encuentran en el mismo lado del Sol con algo menos de 600 millones de kilómetros entre ellos. Pero se mantienen en esta posición poco tiempo antes de que la distancia vuelva a aumentar, sin permanecer nunca a una distancia constante.

Todos los planetas se mueven a distintas velocidades en sus órbitas alrededor del Sol. Imaginemos por un momento el lanzamiento de una pelota a un objetivo móvil desde un vehículo en movimiento. Los ingenieros deben calcular el momento exacto para poder dar el salto en una trayectoria circular desde la órbita de la Tierra hasta donde se encuentre Júpiter a la llegada de la sonda espacial, y no a la posición de éste cuando la sonda abandone la Tierra. 

Por lo tanto, y suponiendo que dispusiéramos del lanzador más potente disponible, y que lo lanzáramos siguiendo la trayectoria más corta en el momento exacto en que los planetas estuvieran alineados correctamente, ¿cuánto tiempo llevaría? 

Las primeras misiones espaciales, como las sondas Voyager y Pioneer, realizaron el viaje en menos de dos años, y el objeto más rápido que ha viajado a Júpiter ha sido la misión New Horizons. Lanzada el 19 de enero de 2006, New Horizons alcanzó su punto más cercano a Júpiter el 28 de febrero de 2007, empleando poco más de un año en llegar a este planeta. Todas estas misiones siguieron su viaje, constituyendo excelentes ejemplos de cuánto tiempo se tarda en pasar Júpiter de camino a otro lugar.

Cuanto más larga sea la estancia, más lento será el acercamiento

Para entrar en órbita alrededor del enorme planeta con el fin de estudiarlo desde todos los ángulos y, con el tiempo, incluso entrar en órbita alrededor de una de sus lunas (uno de los principales objetivos de Juice), sería necesario perder algo de energía. Esta «desaceleración» requeriría una gran cantidad de combustible para ejecutar una gran maniobra de entrada en órbita. Para evitar un lanzamiento con ingentes cantidades de combustible a bordo, se podría optar por la ruta panorámica, de una duración de dos años y medio. 

Aquí es donde la masa de la sonda espacial se convierte en un factor crucial para determinar el tiempo que llevaría llegar a cualquier parte. Los ingenieros necesitarían controlar la masa y equilibrar la cantidad de combustible con los instrumentos necesarios para completar la misión. Cuanta más masa tenga, más combustible necesitará transportar, lo que incrementaría aún más su peso y dificultaría su lanzamiento.

Aquí es donde entra en juego el rendimiento del cohete lanzador. El lanzamiento debe tener una velocidad suficiente para escapar de la gravedad de la Tierra y dirigirse hacia el sistema solar exterior. Cuanto mayor sea el impulso, más fácil será el viaje. 

Juice, con algo más de 6000 kg, es una de las sondas interplanetarias más pesadas jamás lanzadas que cuenta con el conjunto de instrumentos científicos más grande enviado a Júpiter. Incluso el enorme impulso del cohete para cargas pesadas Ariane 5 no ha sido suficiente para poder enviar a Juice directamente a Júpiter en un par de años. 

Por lo tanto, algunas misiones como Juice y Europa Clipper, o Galileo y Juno en el pasado, deben utilizar maniobras de «asistencia gravitatoria» o «sobrevuelo» para obtener una velocidad adicional. Cuanto más potente sea el cohete, más corta será la transferencia.

Intercambio de energía con el sistema solar

Plutón, situado en la región más alejada del sistema solar, se desplaza en una órbita mucho más grande que Mercurio, el planeta más interior. Aunque Plutón se desplaza con mayor lentitud con respecto al Sol, su energía orbital es mucho mayor que la de Mercurio. 

Para poner una nave espacial en órbita alrededor de otro planeta, hay que igualar su energía orbital. Cuando se lanzó la misión BepiColombo, su energía orbital era la misma que la de la Tierra; tuvo que perder parte de esa energía para acercarse al centro del sistema solar eliminando el exceso al volar cerca de los planetas vecinos.

Para viajar hasta el sistema solar exterior, el proceso es el mismo, solo que a la inversa. Con el fin de entrar en una órbita mayor y, por lo tanto, más alejada del Sol, Juice sigue una trayectoria que le permitirá tomar energía orbital de la Tierra, Venus y Marte. 

En función de la dirección relativa del movimiento del planeta y la sonda espacial, la asistencia gravitatoria puede acelerar, frenar o cambiar de dirección la misión. (Igualmente se provoca una desviación del planeta, pero de una magnitud tan minúscula que resulta insignificante. No obstante, se sigue cumpliendo la tercera ley de la mecánica newtoniana: «Toda acción genera una reacción de igual magnitud y sentido opuesto»). 

Juice utilizará una serie de vuelos de aproximación a la Tierra, el sistema Tierra-Luna y Venus para encaminarse hacia su emplazamiento en el sistema joviano en julio de 2031.

Órbita al filo de la navaja

Los mayores desafíos para el equipo de control de vuelo de la ESA serán la llegada de Juice finalmente a Júpiter en 2031 y su recorrido por su sistema planetario. 

La compleja trayectoria de Juice implica varias asistencias gravitatorias de camino a Júpiter, incluido el primer vuelo de aproximación al sistema Luna-Tierra, y, una vez allí, unos impresionantes 35 más a sus lunas galileanas Europa, Ganímedes y Calisto. Para finalizar, se centrará en Ganímedes, que convertirá a Juice en la primera sonda que orbite una luna distinta a la nuestra.

La maniobra más importante que supervisarán los equipos del control de misión de la ESA en Alemania será la desaceleración de Juice de aproximadamente 1 km/s tan solo 13 horas después de una asistencia gravitatoria de Ganímedes y «tomando la salida» dirección Júpiter para entrar en su sistema, colocándola en órbita alrededor del gigante gaseoso.

La entrada en órbita alrededor de otro cuerpo celeste no es tarea fácil. Una nave debe acercarse a la velocidad exacta y desde un ángulo preciso para ejecutar una gran maniobra vital en el momento adecuado, en una dirección específica y con el tamaño correcto.

Si se acerca demasiado rápido o lento, sin la inclinación exacta, o si se realizan maniobras en el momento equivocado o con el tamaño o dirección incorrectos, se perderá en el espacio. O bien estará tan alejada de la trayectoria que necesitará mucho (quizás demasiado) combustible para corregir su rumbo. 

Juice se acercará a las lunas de Júpiter, intercambiando con ellas la energía que han acumulado durante miles de millones de años, para poder ver estos entornos como nunca antes. ¿Podría haber vida bajo los océanos helados de Ganímedes, Calisto o Europa? ¿Qué podemos aprender sobre la formación de planetas y lunas en todo el Universo? Pronto lo descubriremos gracias a las maravillas de la dinámica de vuelo y al intercambio de energía con el Universo. 

Sigue @ESAJuiceBar en Twitter/X para actualizaciones sobre la evolución de Juice hacia Júpiter, @ESAJuice para las últimas novedades sobre la misión y @esaoperations para noticias sobre Control de Misión de la ESA.