El dominio humano sobre el espacio y el tiempo

El control de la navegación dio poder a los imperios. Hoy, las nuevas naves son novedosos satélites en el sistema solar. Quien maneje las nuevas flotas, controlará los nuevos mercados. Lograrlo exige un control preciso del espacio y el tiempo

Texto de Hugo Carreno-Luengo, investigador en misiones espaciales en la National Aeronautics and Space Administration (NASA)  y el profesor de Filosofía José Luis Pérez Regueiro.

Colón no tenía móvil ni GPS, pero sabía muy bien dónde estaba, tenía un sextante y la Geografía de Ptolomeo, que remitía a Estrabón y a Posidonio y que, en cualquier caso, se fundamentaba en la geometría de Euclides, cuyos modelos matemáticos se proyectaban sobre la tradicional física de las esferas griega.

Colón concluyó que la circunferencia de la Tierra era ¾ de la real

Colón sabía muy bien dónde estaba, y a dónde iba, a las Indias, al otro lado de la esfera. Lo que no sabían Colón ni sus fuentes griegas, era que la refracción de la luz en la atmósfera desviaba la posición de las estrellas. Sí, esa desviación de la luz que vemos al meter una pajita en un vaso de agua, pero aplicada a la atmósfera. Los cálculos y el modelo matemático que usó Colón eran válidos, y hoy lo siguen siendo, pero su proyección física fue, y es, errónea, pues al ignorar la refracción sus premisas físicas eran falsas y concluyó que la circunferencia de la Tierra era ¾ de la real.

Así pues, Colón sabía muy bien dónde estaba y a dónde iba, pero se comió, ni más ni menos, que 1/4 de circunferencia de la Tierra cuando estimó el tiempo, y las provisiones que necesitaba. Si América no hubiese estado allí, habría muerto como un geómetra competente. Pero América estaba, con sus gentes y sus recursos, y Colón no sólo llegó, sino que supo volver y situar América en el mapa, en la esfera. Una vuelta que propició el desarrollo político y económico de la monarquía católica. Del derecho de gentes, de la disputa de Valladolid y de las Leyes de Indias; de la fundación de ciudades, hospitales y universidades; del Real de a ocho y la unidad comercial de los virreinatos. Nada de lo cual estaba en la cabeza de Colón, cuya rapacidad le condujo de vuelta a España con los grilletes puestos, y sus poderes perdidos.

La navegación no es hoy para quienes saben usar un sextante y aplicar al mundo físico la geometría de Euclides. La navegación no es si quiera cosa de marinos. La navegación, es cosa de satélites y quienes los hacen orbitar en el espacio. Son los satélites las referencias de la navegación espacial, cuya complejidad exige aplicar con mucha precisión la relatividad al mundo físico.

La navegación espacial es un elemento clave en tareas de investigación científica y exploración planetaria tanto para la NASA como para la European Space Agency (ESA). Para ello es requisito indispensable disponer de un conocimiento del tiempo con una altísima precisión, impensable hasta nuestra era.

Los vehículos espaciales disponen de multitud de sensores (e.g. star trackers, magnetometers ..) y actuadores (e.g. thrusters, reaction wheels ..) para conocer y controlar su actitud tridimensionalmente (attitude determination and control system), mientras se desplazan a altísimas velocidades en su movimiento orbital en nuestro sistema solar.

La hazaña de la navegación

Para determinar la posición relativa de un vehículo espacial en un sistema espacial de referencia dado, se utilizan otro tipo de instrumentos y técnicas. El fundamento consiste en medir el tiempo que tardan las ondas electromagnéticas, que viajan a la velocidad de la luz, en fluir entre el vehículo espacial y ubicaciones conocidas como por ejemplo una antena en la Tierra.

Al multiplicar ese tiempo por la velocidad de la luz se puede conocer la distancia entre la nave y la estación terrestre, dado que la distancia es igual a la velocidad multiplicada por el tiempo. Recopilando varias de estas medidas de tiempos, convertidas a distancias, se puede calcular con precisión dónde esta el vehículo y hacia dónde se dirige. Por tanto, para obtener unos cálculos de alta exactitud es necesario un dominio del tiempo con unas precisiones realmente increíbles, que son difíciles de entender para la mente del público en general.

La Ingeniería Aeroespacial ha desarrollado relojes atómicos con unas prestaciones de muy alta calidad y capaces de sobrevivir al duro ambiente espacial. Estos relojes atómicos observan las oscilaciones ultra-estables de los átomos atrapados dentro de ellos. Para situarnos, un reloj mecánico moderno que uno podría llevar en la muñeca puede tener un desfase de unos 3 segundos por día.

Los relojes atómicos más avanzados tan solo se desvían aproximadamente 100 picosegundos (0,0000000001 segundos) por día

Los relojes atómicos más avanzados tan solo se desvían aproximadamente 100 picosegundos (0,0000000001 segundos) por día. La joya de la corona en el domino sobre el espacio y el tiempo son los Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Estos complejísimos sistemas utilizan varios relojes atómicos de cesio y rubidio a bordo para dominar el tiempo a su antojo.

Este hecho es un key-milestone en la navegación espacial dado que tradicionalmente se han usado -y se usan- relojes atómicos en tierra, dado su gran tamaño y peso. Es oportuno recordar que durante mucho tiempo el desarrollo de los sistemas GNSS fue secreto de Estado. De hecho, hoy en día, los sistemas GNSS utilizan códigos secretos de altas prestaciones que son secreto militar. En su tesis doctoral, Hugo Carreno-Luengo diseñó un sistema (P(Y) & C/A ReflectOmeter o PYCARO) capaz de utilizar dichos códigos secretos para estudiar con alta variabilidad espacio-temporal ciertos procesos geofísicos sobre la superficie de la Tierra desde un nano-satélite.

Cabe destacar que los sistemas espaciales GNSS-Reflectometry combinan dos de las mayores dificultades que ofrecen las misiones científicas de esta naturaleza. Por un lado, altas dinámicas propias de satélites tipo Low earth Orbit (LEO) y por otro lado señales de muy baja Signal-to-Noise Ratio (SNR) propias de satélites en espacio profundo.

La primera misión operacional de esta clase es NASA CYGNSS. El fundamento físico de CYGNSS consiste en entender la superficie planetaria como una apertura y estudiar el hipotético fenómeno de difracción del campo electromagnético incidente bajo la perspectiva del principio de Huygens-Fresnel.

En la actualidad existen 4 constelaciones GNSS. La norteamericana Global Positioning System (GPS) con 31 satélites operativos Medium Earth Orbit (MEO), la rusa GLObal’naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) con 24 satélites operativos MEO, la europea Galileo con 24 satélites operativos MEO, y la china BeiDou-3 con varios tipos de satélites operativos incluyendo 3 Inclined GeoSynchronous Orbit (IGSO), 24 MEO y 2 Geosynchronous Equatorial Orbit (GEO). El valor científico-técnico, geoestratégico, económico y político de estos sistemas es muy elevado. Por poner un dato, un cuarto del total del presupuesto de la ESA va dedicado al desarrollo del sistema Galileo.

Los relojes atómicos a bordo de los sistemas GNSS están aproximadamente a 20.000 km sobre la superficie de la Tierra y experimentan una gravedad cuatro veces más débil que la del suelo. La teoría de la relatividad general de Einstein dice que la gravedad curva el espacio y el tiempo.

Los relojes sometidos a la fuerza de la gravedad en tierra funcionan a un ritmo más lento que los relojes vistos desde una región distante que experimenta una gravedad más débil. Esto significa que los relojes de la Tierra observados desde satélites en órbita funcionarían a un ritmo más lento. Además, los satélites GNSS se mueven a velocidades ~ 14.000 km/h, por lo que según la teoría de la relatividad especial de Einstein, estos relojes tendrían un retraso respecto de la Tierra. El resultado global es que el tiempo en un reloj GNSS avanza más rápido que un reloj en la Tierra, aproximadamente 38 microsegundos por día.

Los sistemas GNSS están diseñados de forma que tienen un dominio del tiempo tan elevado que les permite aplicar la teoría de la relatividad ajustando electrónicamente las velocidades de los relojes y construyendo correcciones matemáticas en los chips del procesador de vuelo que proporcionan el posicionamiento. Sin la aplicación adecuada de la relatividad, los sistemas GNSS fallarían en sus funciones de navegación en aproximadamente 2 minutos.

Los vehículos espaciales utilizan receptores GNSS de muy alta prestación para determinar su posición. Estos receptores utilizan el conocimiento del tiempo en el que se emite cada señal de los satélites GNSS, según lo determinado por el reloj atómico de a bordo y codificado en la señal, junto con la velocidad de la luz para calcular la distancia entre ellos y los satélites con los que se comunican. Además, la órbita de cada satélite GNSS se conoce con alta precisión. Por lo tanto, dados suficientes satélites se puede calcular la ubicación precisa del vehículo espacial tanto en el espacio como en el tiempo.

Los sistemas GNSS se han empleado principalmente en misiones espaciales sobre la Tierra. En el futuro próximo se planea la utilización de sistemas tipo GNSS en la Luna y Marte, porque con el tradicional procedimiento desde la Tierra (relojes atómicos en tierra) es imposible el control en tiempo real de la navegación del vehículo espacial, dadas las grandes distancias en estos escenarios interplanetarios (e,g. 80 millones de km entre la Tierra y Marte).

En relación con la Luna, Marte ofrece más recursos in situ en forma de hielo, minerales hidratados y CO2

Marte es el planeta más atractivo para establecer un programa de exploración a largo plazo, como lo han afirmado las comunidades científica, académica e industrial. En relación con la Luna, Marte ofrece más recursos in situ en forma de hielo, minerales hidratados y CO2. Marte permite una presencia humana más sostenible que no dependería en gran medida de entregas frecuentes desde la Tierra. El establecimiento de una red de retransmisión de comunicaciones y navegación in situ para facilitar y mejorar el apoyo a la exploración de Marte constituirá el primer paso hacia el establecimiento de una presencia virtual en todo el sistema solar.

Múltiples naves espaciales con relojes atómicos de espacio profundo orbitarán Marte

Se planea que múltiples naves espaciales con relojes atómicos de espacio profundo orbitarán Marte, creando una red tipo GNSS para permitir la carga terrestre en Marte antes de que lleguen los humanos. Esta red interplanetaria será el fundamento de todas las actividades de exploración espacial futuras. Un reciente hito ha sido el lanzamiento del NASA Deep Space Atomic Clock como precursor del desarrollo tecnológico necesario para emprender “rumbo a las Américas”.

En el desarrollo de proyectos tan ambiciosos y relevantes es necesario permitir una investigación rigurosa, marcada principalmente por el mundo físico. La capacidad del ser humano para establecer su dominio sobre el espacio y el tiempo tiene repercusiones en la propia concepción de la política, que hoy deviene geopolítica.

El poder geopolítico está en juego

El control del espacio y el tiempo está geopolíticamente ligado a recursos minerales y su uso y distribución estratégicos, que podrían determinar la mayor capacidad de unos Estados frente a otros en función de su expansión más allá de la Tierra. Para ilustrar la importancia de la ciencia y la tecnología de la navegación en su dimensión política, volvamos por un momento a la historia, a los hechos consumados.

Tras los éxitos de Elcano en la circunnavegación de la esfera terrestre, y de Urdaneta y Legazpi con el tornaviaje, la cosmografía española se convierte en un sistema de navegación superior a los de galera y cabotaje del resto de potencias marítimas. Como resultado, España llega desde América a las Islas Molucas, también llamadas “la especiería”, donde hace la competencia a Portugal en el comercio de clavo, nuez moscada, alcanfor, pimienta y otras especias, que podían alcanzar miles de veces su precio en los mercados europeos.

En El orbe a sus pies, Pedro Insua explica la importancia, no ya económica, sino sobre todo política, de la cosmografía. Debido a que la monarquía portuguesa ya estaba asentada en la especiería, optó por asumir, sin una indagación cuyo resultado desconocía, que el Tratado de Tordesillas legitimaba su presencia y la exclusión de los españoles.

La monarquía hispana, al contrario, potenció el estudio cosmográfico y ya en 1508 disponía de un Padrón Real, es decir, un standard, construido por pilotos y cosmógrafos de la Casa de Contratación. Dicha potenciación permitió a Carlos I enviar mapas a otras cancillerías europeas, siendo la cosmografía el fundamento de la argumentación jurídica en favor del derecho y legalidad de la presencia española en la especiería. Y es que los mapas no eran cualquier cosa, de hecho, los más importantes eran secretos de Estado. Las inversiones privadas, como la de Cristóbal de Haro y los Fugger en la empresa de Magallanes, nunca se abrieron camino sin los intereses del Estado.

Las flotas navales eran comerciales, pero también políticas y militares. Portugueses, españoles y holandeses desplegaban flotas, como hoy se despliegan los GNSS para abrir rutas comerciales cuyos beneficios, en último término, eran los de unos Estados frente a otros, y cuando apenas podían abrir nada, como fue por lo general el caso de Inglaterra en América, contrataban flotas de piratas, que como corsarios parasitaban lo que podían a las potencias dominantes. Pero de todas estas flotas, fue la española la que abrió fronteras que nadie había transitado, permitió asentar una posición política que se alargó trescientos años y creó el primer mercado global, el del Real de a ocho.

Esta moneda, acuñada en las cecas de América, iba hacia el este en el Galeón de Manila con dirección a la China de la dinastía Ming, que gracias a su puesta en circulación pudo usarla para recaudar impuestos en plata.

Los españoles dejaban plata y se llevaban mercancías: seda, cerámicas… que en el Galeón llegaban a Nueva España, y de ahí a los virreinatos del sur y al oeste, a Europa. Desde Europa, seguía más al oeste porque se aceptaba su uso en el comercio con el Imperio Otomano que, a su vez, la distribuía por Persia y Arabia Saudí.

Si la nueva especiería es la minería espacial, es razonable suponer que quien disponga de la tecnología de navegación, impondrá la moneda de cambio ¿Dólar? ¿Rublo? ¿Euro? ¿Yuan? Cada moneda, un mercado. Sí, pero el petróleo se paga en dólares, y si sobran ya en otra moneda. ¿Iniciativa privada? La hay y la habrá, como la hay en las instalaciones petrolíferas de EE.UU., de Arabia Saudí, o de Rusia, pero esta es una carrera de Estados contra Estados, y en ella se puede ser Colón, se puede ser Elcano, y también una de esas naves, o empresas, que se perdieron y de las que nunca más se supo.

Este texto es el resultado de las conversaciones sobre desarrollo tecnológico entre José Luis Pérez Regueiro, profesor de Filosofía y Hugo Carreno-Luengo https://www.linkedin.com/in/hugo-carreno-luengo/, investigador en misiones GNSS. Ambos autores han debatido desde sus campos de experiencia.