¿Aterrizar en Marte? no es tan fácil
A medida que crecen las ambiciones de la humanidad, estamos empezando a considerar el envío de astronautas a explorar Marte, y es posible que incluso hayamos iniciado futuras actividades de colonización. Esto requiere que resolvamos uno de los mayores problemas en la exploración espacial: ¡es realmente difícil transportar con éxito cargas pesadas y aterrizar en la superficie de Marte!
Hay muchos desafíos para aterrizar en Marte, incluida la falta de un campo magnético protector, la baja gravedad y las temperaturas gélidas. Marte también tiene altos niveles de dióxido de carbono en su atmósfera. Si estás en la superficie de Marte sin llevar un traje espacial, te asfixiarás por falta de oxígeno, incluso si no mueres congelado.
Sin embargo, en comparación con las dificultades anteriores, el mayor problema es que la atmósfera de Marte es demasiado delgada y la presión del aire en Marte es menos del 1% de la de la Tierra. Esta delgada atmósfera ha demostrado ser un gran desafío para aterrizar de manera segura grandes cargas útiles en la superficie del Planeta Rojo. De hecho, hasta ahora sólo se han realizado 53 misiones a Marte según lo previsto.
En este artículo, revisaré misiones anteriores a Marte y describiré en detalle los desafíos específicos de la exploración tripulada de Marte.
Históricamente, las misiones a Marte se han lanzado básicamente desde la Tierra durante la ventana bienal de lanzamiento a Marte. Durante este período de tiempo, la ruta de la nave espacial lanzada desde la Tierra a Marte es relativamente más corta y el tiempo requerido también es relativamente mínimo. La primera parte de ExoMars, desarrollada conjuntamente por la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Rusa, fue lanzada el 14 de marzo de 2016 y entró en la órbita de Marte el 10 de junio de ese año. El Mars Observer (Insight) de la NASA se lanzó el 5 de mayo de 2018 y aterrizó con éxito en la superficie de Marte el 26 de octubre de 20165438. El rover Mars 2020 de la NASA se lanzará el 17 de julio de 2020 y está previsto que aterrice en Marte el 18 de febrero de 2026. Estas misiones siguen trayectorias de transferencia interestelar y están diseñadas para llegar a sus destinos con la mayor velocidad o la menor cantidad de combustible.
Cuando la nave espacial entra en la atmósfera marciana, su velocidad alcanza decenas de miles de kilómetros por hora. De alguna manera debe reducir su velocidad antes de aterrizar suavemente en la superficie del Planeta Rojo.
En la Tierra, podemos utilizar la espesa atmósfera terrestre para frenar el descenso y el escudo térmico para frenar la nave espacial. Las placas de aislamiento térmico del transbordador espacial retirado están diseñadas para absorber el calor de la fricción del aire generado durante el reingreso, reduciendo así la velocidad del orbitador de 77 toneladas de 28.000 kilómetros por hora a cero. La misma tecnología podría usarse para aterrizar en Venus y Júpiter, que tienen atmósferas densas similares a las de la Tierra.
También es relativamente sencillo aterrizar en la Luna sin atmósfera alguna. En ausencia de atmósfera, no hay necesidad de un escudo térmico, y sólo se utilizan las hélices para frenar la órbita hasta que aterriza en el suelo. Mientras lleves suficiente propulsor, podrás aterrizar sin problemas.
Regreso a la misión a Marte. En términos generales, una nave espacial entrará en su delgada atmósfera a una velocidad de unos 20.000 kilómetros por hora. No podemos adoptar la estrategia de aterrizaje en la Tierra para frenar la nave espacial mediante la fricción y el arrastre atmosférico, ni podemos adoptar la estrategia de aterrizaje en la Luna y depender enteramente del propulsor de la nave espacial para desacelerar. Las frecuentes tormentas de polvo en Marte aumentarán aún más la dificultad de nuestro aterrizaje.
Tradicionalmente, cuando las misiones de exploración de Marte comienzan a aterrizar, el carenado de la nave espacial ayudará a frenar algunas naves. Históricamente, la sonda más pesada enviada a la superficie de Marte fue la sonda "Cuirity" de la NASA lanzada desde Cabo Cañaveral el 26 de octubre de 201165438, con un peso total de 2200 libras (aproximadamente 1 tonelada). Cuando entró en la atmósfera marciana el 6 de agosto del año siguiente, la velocidad de la nave espacial era de 5,9 kilómetros por segundo, menos de 22.000 kilómetros por hora.
Curiosity es el vehículo más grande jamás lanzado a Marte, con una longitud máxima de 4,5 metros. Su enorme carenado está en ángulo para permitir que la nave espacial maniobre mientras ingresa a la delgada atmósfera de Marte y aterriza en una zona de aterrizaje elegida.
A una altitud de unos 131 km de la superficie de Marte, los propulsores de la nave espacial comenzaron a encenderse y la nave se ajustó a una órbita de aterrizaje perfecta. Después de unos 80 segundos de vuelo atmosférico, la temperatura en el escudo térmico aumentó a 2.100 grados centígrados. Para no quemar la nave espacial, en el escudo térmico se utiliza un material especial llamado material ablativo de carbono impregnado con fenólico (PICA). Por cierto, SpaceX utilizó el mismo material en su nave espacial Crew Dragon.
Cuando la velocidad de la nave espacial caiga por debajo de Mach 2,2, la nave lanzará el paracaídas más grande jamás construido para una misión a Marte, con un diámetro de 16 metros. Este paracaídas puede generar 29.000 kilogramos de resistencia, reduciendo aún más la velocidad de descenso de la nave. Las líneas de suspensión del paracaídas están hechas de fibra de aramida Technora y Kevlar, los materiales más fuertes y resistentes al calor que conocemos hasta la fecha.
Luego se deshizo de su paracaídas y utilizó sus motores de cohete para frenar aún más el descenso de la nave espacial. Cuando está lo suficientemente cerca de la superficie marciana, Curiosity utiliza una grúa aérea para bajar lentamente el rover al suelo.
Lo anterior es una versión breve del proceso de aterrizaje de Curiosity. Si desea una comprensión integral del aterrizaje de Curiosity en Marte, le recomiendo que lea el libro "Diseño e ingeniería de Curiosity" de Emily Lakdawala (disponible en Meiya).
Pero el Curiosity sólo pesa una tonelada. Podríamos preguntarnos: ¿podrían aterrizarse naves espaciales más pesadas en la superficie de Marte utilizando carenados aerodinámicos más grandes, paracaídas más grandes y grúas aéreas más grandes? En teoría, la nave Starship de SpaceX puede transportar 65.438.000 toneladas de personas y carga a la superficie de Marte.
Ese es el problema. El método de Curiosity de desacelerar en la atmósfera marciana no puede ampliarse de manera efectiva para el aterrizaje de naves espaciales más pesadas.
Primero, comencemos con el paracaídas. Para ser honesto, el rover Curiosity de 1 tonelada es probablemente el peso máximo que puede soportar el paracaídas para aterrizar. Actualmente, los ingenieros no pueden encontrar ningún material que pueda soportar las cargas de desaceleración necesarias para aterrizar una nave espacial más pesada.
Hace unos meses, los ingenieros de la NASA celebraron la exitosa prueba del Experimento Avanzado de Investigación de Inflación de Paracaídas Supersónicos (ASPIRE). Este es un paracaídas que se utilizará en la misión de exploración Mars 2020 (nombre del módulo de aterrizaje: Mars 2020 rover).
Los técnicos colocaron un paracaídas fabricado con materiales compuestos avanzados como nailon, fibra de aramida Technora y Kevlar en el cohete sonda y lo lanzaron a una altitud de 37 kilómetros, simulando la experiencia de una nave espacial llegando a Marte. El paracaídas se soltó y abrió completamente en una fracción de segundo, experimentando una fuerza de tracción de 32.000 kilogramos. Imagínate que si estuvieras en una nave espacial, la tensión que experimentarías sería 3,6 veces mayor que si golpearas una pared con el cinturón de seguridad a 100 kilómetros por hora. En mi humilde opinión, en este caso simplemente colgarás.
Dejando de lado a los propios pasajeros, actualmente no existe ningún tejido compuesto que pueda permitir que un paracaídas resista la fuerza de desaceleración generada por una nave espacial más pesada.
La NASA ha estado probando diferentes métodos para aterrizar cargas útiles más pesadas en Marte, como cargas útiles de hasta 3 toneladas.
Un método se llama desacelerador supersónico de baja densidad (LDSD). La idea es utilizar desaceleradores aerodinámicos más grandes que se inflarían alrededor de la nave espacial como un castillo inflable cuando entre en los confines gravitacionales de Marte.
En 2015, la NASA probó esta tecnología cargando un prototipo de nave espacial en un globo sonda. El prototipo de nave espacial encendió su propio cohete sólido a una altitud de 36 kilómetros y lo empujó a una altitud de 55 kilómetros. A medida que vuela hacia arriba, infla su desacelerador aerodinámico inflable supersónico hasta un diámetro de 6 metros (o 20 pies). Luego, el desacelerador desacelera la nave espacial a Mach 2,4. Desafortunadamente, durante las etapas finales del experimento, su paracaídas no se soltó correctamente y la nave espacial terminó estrellándose en el Océano Pacífico.
Pero sigue siendo una gran victoria. Si la construcción del proyecto realmente puede completarse, se demostrará físicamente que es factible en el entorno marciano. Entonces, un día, pudimos ver una nave espacial de 3 toneladas aterrizar en la superficie de Marte.
La siguiente idea para aumentar el peso de un aterrizaje en Marte es utilizar más propulsor. En teoría, podemos transportar más combustible. Después de llegar a Marte, enciende el motor del cohete y reduce la velocidad completamente a cero. El problema, por supuesto, es que cuanta más masa se utilice para la desaceleración, menor será la masa de la carga útil que realmente puede aterrizar en la superficie marciana.
Se espera que la "Starship" de la Space Exploration Technology Company utilice este método de aterrizaje de retroceso para aterrizar una carga útil de 100 toneladas en la superficie de Marte. Al tomar un camino más directo y rápido, la nave espacial entrará en la atmósfera marciana a más de 8,5 kilómetros por segundo y luego utilizará la aerodinámica para reducir la velocidad. Por supuesto, no es necesario que sea tan rápido. Las naves espaciales pueden utilizar el frenado neumático para reducir la velocidad realizando múltiples pasadas a través de la atmósfera superior. De hecho, este es el método de desaceleración utilizado por las naves espaciales en órbita en su camino a Marte. Pero con este enfoque, los pasajeros a bordo de la nave espacial tendrían que esperar semanas hasta que la nave desacelere y entre en órbita alrededor de Marte antes de descender a la atmósfera.
¿Según Elon? Musk dice que su estrategia agradable e intuitiva para lidiar con este calor es construir una nave espacial de acero inoxidable. Luego, el combustible de metano se expulsa a través de pequeños orificios distribuidos a lo largo de la piel para mantener fresco el lado de barlovento de la nave espacial.
Por cada kilogramo de combustible utilizado para frenar la nave espacial y aterrizar en la superficie de Marte, hay un kilogramo menos de carga que se puede llevar a la superficie. Para resolver este problema, necesitamos algunas ideas nuevas.
Lo último, ¿Universidad de Illinois en Urbana? Un nuevo estudio del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica de la Universidad de Champaign-Urbana sugiere que futuras misiones a Marte podrían utilizar una atmósfera más espesa y más cercana a la superficie. En un artículo titulado "Selección de órbita de aterrizaje para una nave espacial en Marte con alto coeficiente balístico", los investigadores propusieron que las naves espaciales que se dirigen a Marte no necesitan apresurarse para reducir su velocidad. Cuando una nave espacial entra en la atmósfera, todavía puede generar una gran cantidad de sustentación aerodinámica, que puede utilizarse para guiarla a través de la atmósfera.
Calcularon y descubrieron que el ángulo ideal es que la nave descienda verticalmente y se sumerja directamente en el suelo. Luego, en el último momento, utiliza la sustentación aerodinámica para elevarse y moverse hacia los lados donde la atmósfera es más espesa. Esto aumentará la resistencia, lo que hará que la nave espacial pierda gran parte de su velocidad antes de activar sus motores de descenso y completar un aterrizaje motorizado.
Por ahora, esta es una idea interesante que merece más investigación.
Si los humanos queremos construir un futuro viable en la superficie de Marte, necesitaremos resolver este problema. Necesitamos desarrollar una variedad de tecnologías para que el aterrizaje en Marte sea más confiable, seguro y efectivo.