Uno de los triunfos de la ingeniería aeronáutica es el que cómicamente  ha sido bautizado como "cometa vómito". Se trata de una aeronave cuyo vuelo realiza una trayectoria parabólica que simula condiciones de gravedad cero. Los astronautas las usan para entrenarse en condiciones de ingravidez durante intervalos de unos 25 segundos, y también la usan quienes quieren experimentar esa sensación. Además, estos vehículos se han utilizado, por ejemplo, para grabar las escenas sin gravedad de la película Apolo 13.

Los cometas vómito también se conocen como aeronaves de gravedad reducida y son una de las pocas opciones disponibles para los científicos que necesitan realizar experimentos en condiciones de microgravedad. Pero estos aparatos pueden costar hasta casi 3.000 euros por cada kilogramo, y deben reservarse con meses o incluso años de antelación. Por ello es muy complicado repetir un experimento cuando es necesario.

Una alternativa son las torres de caída, que responden muy rápidamente y son fáciles de reservar. Pero de primeras, resultan prohibitivamente caras.

Y la última opción son los vuelos a bordo de la Estación Espacial Internacional u otra aeronave personalizado, algo aún menos asequible para un bolsillo corriente.

Dadas las opciones disponibles, a los científicos les encantaría disponer de una alternativa más barata y rápida, al menos para probar diseños de prueba de concepto antes de embarcar en opciones más caras.

Hoy, está un paso más cerca de cumplirse gracias al trabajo del investigador del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta (EEUU) Juan Pablo Afman y sus compañeros. El equipo ha diseñado una estrategia para usar un dron cuadricóptero autónomo para generar condiciones de gravedad cero durante cortos periodos de tiempo. Se trata de una solución es altamente flexible, fácilmente repetible y sobre todo de bajo coste. 

Foto: Este diagrama muestra las fuerzas que pueden producir el cuadricóptero de gravedad cero con rotores de ángulo variable.

Su objetivo es sencillo. La estrategia pretende generar al menos cinco segundos de caída libre y operar dentro de las limitaciones regulatorias con un sistema que cueste menos de 25.000 dolares (unos 23.300 euros).

Pero conseguirlo no es tan fácil como parece. El equipo de Afman no tardó en descubrir que volar un cuadricóptero hasta una gran altura y apagar sus motores no genera gravedad cero debido a la resistencia del aire durante la caída.

Y lo que es peor, las fuerzas que actúan sobre los rotores generan graves inestabilidades que dificultan la recuperación del vehículo, incluso cuando se vuelven a encender los motores. "Puesto que las fuerzas de empuje son prácticamente cero, el vehículo es incapaz de retener la altitud correcta durante la maniobra y los resultados son catastróficos", afirman.

El problema es que los rotores de ángulo fijo presentes en la mayoría de los drones no son capaces de generar las fuerzas necesarias para mantener gravedad cero ni para estabilizar la nave durante la caída libre. Así que el equipo tuvo que elaborar su propio diseño de rotores de ángulo variable para poder mantener el control sobre la nave en seis grados de libertad en todo momento.

Y aún así sigue habiendo limitaciones regulatorias. Una de las más importantes es que los drones no pueden ser operados por encima de unos 120 metros en Europa y Estados Unidos. Tampoco pueden pesar más de unos 25 kilogramos, lo que limita los experimentos que se pueden llevar a cabo.

Este escenario legal deja espacio para que el equipo diseñe algunas trayectorias capaces de generar gravedad cero durante hasta cinco segundos mientras se mantiene el control del vehículo.

Por motivos de seguridad, el equipo también ha definido un volumen de espacio geográfico en el que la aeronave debe mantenerse todo el tiempo. Esto está definido por la distancia balística que recorrería el vehículo si se quedara sin energía en cualquier momento. Lo denominan "geovalla" y garantiza una seguridad relativa.

El equipo también ha desarrollado un software para que los usuarios puedan definir trayectorias con diferentes perfiles temporales de gravedad cero para experimentos específicos.

A pesar de una impresionante cantidad de trabajo de preparación en tierra, el equipo todavía no ha realizado ningún vuelo de gravedad cero, debido sobre todo a retrasos en el diseño de rotor. El equipo espera poder comprobar el rendimiento del dispositivo antes de que acabe el año.

Mientras tanto, el trabajo da un prometedor paso adelante en las investigaciones de gravedad cero. El precio del sistema lo abre a un amplio abanico de instituciones y tal vez incluso escuelas. Eso debería renovar el interés por los experimentos sin gravedad que ahora podrían llevarse a cabo sin vómitos.

Ref: arxiv.org/abs/1611.07650: On the Design and Optimization of an Autonomous Microgravity Enabling Aerial Robot