Reentradas en la atmósfera

Normalmente no comento aquí cómics o películas de superhéroes, ya que no tiene mucho sentido estudiar si los poderes de tal o cual supertipo son posibles o no. Sabemos que es pura fantasía (aunque a veces se intente buscar una explicación pseudocientífica), y como tal hay que creérsela y disfrutar de ella. Pero ello no evita que me fije en detalles que no tienen que ver directamente con los superpoderes del personaje en cuestión. Hace unas semanas vi la película Superman Returns, y me llamó la atención una escena cerca del final. Veamos, Superman arranca toda la isla esa que crean los cristales kriptonianos, y se la lleva al espacio, lanzándola lejos. El pobre queda exhausto y muy debilitado debido a su exposición a la kriptonita, y empieza a caer inconsciente hacia la Tierra. Al hacerlo, casi inmediatamente vemos el clásico efecto de un resplandor anaranjado que nos indica que está sufriendo el enorme calor de una reentrada.

Es un error muy común pensar que el penetrar en la atmósfera desde el espacio, implica siempre una reentrada «ardiente» de estas características, simplemente por el hecho de entrar en ella. Lo he visto en alguna otra ocasión, aunque ahora no recuerdo donde. ¡Ah! ¿Y es que no es así? Pues no. El inmenso calor de las reentradas de los transbordadores espaciales y demás artefactos reales, que estamos acostumbrados a ver en las noticias, se debe a la enorme velocidad a la que se desplazan.

Veamos, cuando un objeto está en órbita, no quiere decir que esté tan lejos de la Tierra como para librarse de su atracción gravitatoria. De hecho, es la gravedad de nuestro planeta la que mantiene al objeto dando vueltas alrededor. Y es la velocidad del mismo lo que hace que no termine de caer. Explicándolo de forma muy simple, si suponemos una órbita circular, un cuerpo se mantiene en órbita cuando la fuerza centrífuga debida a su velocidad, es igual a la fuerza gravitatoria. En el colegio nos enseñaron que la fuerza de gravedad es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Concretamente, F=G·M·m/r², donde G es la famosa Constante de Gravitación Universal. En el colegio nos enseñaron también que en un movimiento circular y uniforme, la aceleración centrípeta (la aceleración que produce ese movimiento) es el cuadrado de la velocidad, dividido entre el radio de la circunferencia de la trayectoria. Es decir, a=V²/r. Cuando un objeto está en órbita circular, la gravedad produce exactamente esa aceleración centrípeta (o también podemos pensar que la fuerza centrífuga se iguala a la gravitatoria). Es decir, se cumple que V²/r=G·M/r², y por tanto, V²=G·M/r. Dado que G y M (masa de la Tierra) son constantes, es fácil ver que la velocidad depende únicamente del radio de nuestra trayectoria, y que cuanto menor sea, mayor debe ser la velocidad. En el mundo real, las órbitas son elípticas (la circunferencia es un caso particular), pero la idea general nos sirve: para estar en órbita, cuanto más cerca estemos de la superficie, mayor debe ser nuestra velocidad.

¿Cómo de grandes son las velocidades de las que estamos hablando? Para hacernos una idea, podemos consultar la entrada de la Wikipedia, referente a la conocida Estación Espacial Internacional. Ahí podemos ver que la altura media a la que se encuentra es de poco más de 350 km, y su velocidad media es de 7,69 km/s, lo que equivale a más de 27.000 km/h. A esa velocidad, tarda una hora y media en dar una vuelta completa alrededor de la Tierra. Como vemos, es una velocidad enorme.

Contrariamente a la creencia popular, el calor de una reentrada a altas velocidades, no se debe al rozamiento con el aire, en el sentido en el que habitualmente pensamos, o al menos, no mayoritariamente. La fricción o rozamiento, en un sentido estricto, es únicamente el efecto producido por el desplazamiento de un objeto en contacto con otro. Un ejemplo revelador es el conocidísimo rozamiento entre el suelo y cualquier objeto que arrastremos sobre él. Cuando un sólido se desplaza inmerso (total o parcialmente) en un fluido, es más conveniente hablar de resistencia o arrastre. En este caso, la fuerza que se opone al movimiento no se produce únicamente por el rozamiento «lateral», sino porque el fluido es desplazado de su sitio por el objeto. Si el fluido en cuestión es un gas (como el aire), hay que añadir otro elemento más: los gases son compresibles (es decir, se pueden comprimir), por lo que no todo el gas que hay delante del objeto en movimiento es desplazado hacia los lados, sino que parte de él es comprimido.

Y aquí está el quid de del cuestión. Veamos, otra de las cosas que nos enseñaron en el colegio es el comportamiento de un gas ideal, que entre otras cosas nos dice que cuando un gas se expande, se enfría, y cuando se comprime, se calienta. En las extremas condiciones de presión y temperatura de una reentrada a miles de km/h, las leyes de un gas ideal no son aplicables, pero sigue siendo cierto que al comprimir el aire, su temperatura se eleva. Y este es el principal mecanismo que produce calor en una reentrada. ¿De qué temperaturas estamos hablando? Pues en el caso concreto del transbordador espacial, en el escudo térmico se llegan a superar los 1.600 ºC.

¿Por qué penetrar en la atmósfera a tales velocidades? ¿No sería mucho más seguro hacerlo a velocidades mucho menores? Sin duda. Como ya he explicado, la temperatura depende de la velocidad. Si disminuimos la velocidad del vehículo hasta 900 km/h, por ejemplo, no se nos recalentaría el aire de delante, o al menos, no más que a un avión comercial. Pero hay que tener en cuenta algo muy importante: el combustible. Para alcanzar la altura y velocidad de una órbita, el vehículo en cuestión ha tenido que gastar una cantidad indecente de combustible. Fijaos en un transbordador espacial: en el momento del despegue tiene dos cohetes laterales (boosters), y un enorme tanque de combustible bajo la panza. Los cohetes laterales proporcionan más o menos un tercio del empuje total, y se desprenden a los 2 minutos del lanzamiento (aproximadamente). El combustible del tanque exterior es consumido durante el ascenso, y cuando ya se tiene suficiente altura y velocidad para alcanzar una órbita baja (más o menos a los 9 minutos del despegue) se apagan los motores y se desprende también ese tanque. Eso nos deja el transbordador con muchísimo menos combustible que el que tenía en tierra. Y lo mismo ocurre con los cohetes por etapas (como el Ariane, o los Saturno V del Programa Apollo): consumen una enorme cantidad de combustible, dejando al vehículo final sin el necesario para detenerse por sus propios medios. Recordad que en el vacío, nada se opone a nuestro movimiento (aunque en una órbita baja, todavía hay un poquito de atmósfera, de una densidad casi despreciable). Necesitamos aplicar la misma fuerza para acelerar como para frenar. Y disminuir la velocidad de decenas de miles de km/h a algunos centenares, requiere un gasto enorme de combustible. No tanto como el necesario para alcanzar la órbita, ya que parte lo empleamos para vencer la gravedad y la resistencia del aire, y además la masa total era mayor, pero también estamos hablando de una cantidad indecente. Si quisiéramos llevar todo ese combustible encima, la masa de nuestro vehículo se multiplicaría, y necesitaríamos todavía muchísimo más combustible para despegar y frenar, que aumentaría más la masa... ¿veis el problema? Así que para economizar recursos, se utiliza como freno la propia resistencia de la atmósfera. Hay que decir que sí se aminora un poco, pues es necesario para romper el equilibrio que nos mantiene en órbita, y así la gravedad nos haga descender.

Bueno, a lo que íbamos. La temperatura alcanzada durante una reentrada depende de la velocidad, y si ésta es suficientemente baja, no pasa nada. En el caso concreto de Superman Returns, lo cierto es que no tenemos datos exactos sobre la altura a la que se encuentra y el tiempo que tardan en aparecer las «llamas» de la reentrada. Parece que es casi inmediatamente, pero bien podemos suponer algún tipo de elípsis entre plano y plano, y pensar que en realidad han transcurrido algunos minutos. En una caída libre sin apenas resistencia del aire, se adquieren velocidades muy altas. Por ejemplo, si caemos desde 350 km de altura (la de la ISS), aun teniendo en cuenta una aceleración gravitatoria menor (8,7) tardaríamos menos de medio minuto para para alcanzar los 900 km/h de un avión comercial, y recorremos 3 km y medio. Tenemos mucho espacio todavía hasta llegar a una región donde la densidad del aire sea lo suficiente como para tener efectos tan drásticos (típicamente, en el caso del transbordador espacial comienza a partir de 140 km de altura). Así que en este caso, puede que lo que vemos sea posible. Pero también puede inducir a error sobre lo que ocurre en una reentrada.