La gravedad asistida es una manera de robarles energía a los planetas, en lugar de gastar combustible, para llegar a los confines del Sistema Solar.

Publicado en la revista Astronomía en febrero de 2015

Este año 2015 será recordado en la historia de la astronáutica por dos hitos importantes: la llegada de la sonda Nuevos Horizontes al planeta Plutón y el acompañamiento que harán la sonda Rosetta y el módulo Philae al cometa 67P Churyumov-Yerasimenko en su paso por el perihelio. En ambos casos el tiempo de llegada de la sonda a su destino parece no coincidir con los cálculos numéricos y esa aparente anomalía merece una explicación. De acuerdo con la velocidad a la que fue lanzada Nuevos horizontes y según la distancia a la que se encuentra el explaneta, el viaje debió tardar casi quince años, pero el tiempo real fue de menos de diez; la sonda exploradora Rosetta, por su parte, pudo llegar a su destino en un par de años, y sin embargo se tardó diez. El primero tardó cinco años menos y el segundo cinco veces más. ¿Por qué? En ambos casos, y aunque el efecto fue contrario, la razón es la misma: gravedad asistida.

Rosetta fue lanzada por medio de un cohete Ariane 5, que no tenía la potencia suficiente para enviarla directamente hacia el cometa por lo cual tuvo que hacer un viaje que se asemeja a los vuelos aparentemente absurdos que se hacen en las aerolíneas, en los que, para ir a una ciudad que está al este del punto de partida, se vuela primero a otra que está al oeste. En lugar de salir hacia el exterior del Sistema Solar, que era donde se encontraba el cometa, Rosetta partió en una órbita elíptica hacia la propia Tierra; ésta le dio un tirón gravitatorio y la lanzó hacia el planeta Marte que hizo el mismo trabajo, aunque con menos intensidad, y la lanzó de regreso a la Tierra; un nuevo empujón que aumentó su velocidad la lanzó a una órbita más alargada y regresó a la Tierra para que ésta actuara de nuevo, como se hace con un columpio al que se le dan varios empujones para que llegue más lejos; de allí partió a encontrarse con el cometa a una velocidad notoriamente aumentada. En resumen, invirtió más tiempo en el vuelo, pero alcanzó un velocidad sin la que no habría podido llegar a su meta.

En el caso de la sonda Nuevos Horizontes, el cohete la lanzó hacia el exterior del Sistema Solar, que es donde se encuentra Plutón, pero no salió en dirección hacia él, sino en la opuesta, de manera que llegó al planeta gigante Júpiter. Éste le aumentó su velocidad y al mismo tiempo le cambió su dirección, de manera que la lanzó hacia un punto en el que se encontraría con el planeta enano.

¿Cómo funciona eso del tirón gravitatorio, o gravedad asistida, cuyo efecto es aumentar la velocidad de una sonda? Uno podría pensar con toda legitimidad que un planeta atrae –y por tanto acelera– una sonda cuando se acerca a él, pero también la atrae –y por tanto la frena– cuando se aleja de él. De ser así, el efecto neto sería nulo y no habría tal aumento de velocidad. Esto sería cierto, si el planeta estuviera quieto, como ocurre con una pelota lanzada contra un frontón. Pero el símil deportivo es más parecido al del juego de beisbol: un jugador lanza la pelota, el bate sale a su encuentro y le imprime una velocidad mayor que la que traía. En el caso de la sonda, el planeta hace las veces del bate y le imprime a la nave espacial una velocidad mayor que la que traía. Pero, a diferencia de la pelota y el bate, el aparato no rebota directamente en el planeta sino en su campo gravitatorio.

Con este sistema, decenas de naves espaciales han hecho viajes a astros lejanos, algunos tan históricos como el de la Voyager 2 que en los años 80 visitó Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, y de cada uno de ellos recibió asistencia gravitatoria. Es una manera de robarle energía a un planeta, en lugar de gastar combustible, para poder llegar a los confines del Sistema Solar.

Supongamos, para simplificar, que una nave se acerca en la dirección contraria al movimiento de un planeta y que da un giro de 180 grados alrededor de él. Este sería el caso extremo. Pero en la realidad, los movimientos suelen tener direcciones diferentes.

En el primer dibujo vemos  el planeta y la sonda como los vería un observador externo: los dos cuerpos viajan en dirección contraria, la sonda con velocidad Vs (hacia arriba) y el planeta con velocidad Vp (hacia abajo). Ya sé que las palabras "arriba" y "abajo" no son las más apropiadas desde el punto de vista de la física, pero no se trata de hacer un análisis matemático de la situación sino de entender los conceptos.

Hasta aquí todo bien. Pero, ¿cómo vería la sonda un observador apostado en el planeta? Como se muestra en la segunda figura, para él, el planeta está quieto mientras que la sonda se acerca a una velocidad que es igual a la suma de las velocidades de los dos cuerpos, Vs + Vp. En realidad, la velocidad absoluta de la nave, aquella con la que viaja por el espacio, coincide con la perspectiva del observador externo: Vs.

Cuando la nave pasa al otro lado del planeta, conserva la velocidad relativa a éste, como se muestra en la tercera figura, o sea que el observador del planeta la verá alejarse con la misma velocidad con la que la vio llegar, Vs + Vp. El externo, en cambio la verá acercarse a él con esa velocidad, más la del planeta que viene hacia él. Total que la verá acercarse a Vs + Vp + Vp, o, simplificando: a Vs + 2 Vp.  

En resumen, el observador externo ve alejarse la nave a Vs y la ve acercar a Vs + 2 Vp. La nave ha ganado velocidad a su paso cerca del planeta.