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Helen Hwang con HEEET, un nuevo concepto de escudo térmico

Tecnología y Sociedad

Los materiales de ensueño de la NASA para recorrer el Sistema Solar

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Si aspiramos a llegar a Marte, Venus o Júpiter, y a traer muestras alienígenas de vuelta a la Tierra necesitaremos naves y cápsulas capaces de resistir altas temperaturas y presiones. Y eso es justo en lo que la agencia espacial de EE. UU. lleva décadas trabajando

  • por Becky Ferreira | traducido por Ana Milutinovic
  • 03 Julio, 2019

Durante meses, las muestras se derretían. No era nada sorprendente: el panal de fibra de vidrio lleno de corcho estaba sometido a una ráfaga de calor cuatro veces más intensa de lo que soportaba el transbordador espacial principal al volver a entrar a la atmósfera de la Tierra. Era como poner el horno más caliente del mundo en medio del túnel de viento más fuerte.

Todas las sondas anteriores de aterrizaje en Marte de Estados Unidos utilizaron los mismos materiales para protegerse del que sufrían al entrar a la atmósfera marciana a casi 16.000 kilómetros por hora. Pero esa protección había dejado de ser suficiente. El escudo para la misión Mars Science Laboratory (MSL) tenía que soportar aproximadamente 250 vatios de energía por centímetro cuadrado, aproximadamente 10 veces el calor experimentado por la Viking, la primera sonda de aterrizaje en Marte de Estados Unidos, que descendió en este planeta en 1976.

La misión MSL, cuyo lanzamiento estaba programado para agosto de 2009, pesaba tres veces más que la Viking. El róver Curiosity que MSL transportó pesaba aproximadamente cinco veces más que los róvers Spirit y Opportunity, que habían aterrizado a salvo en Marte en 2004. El tamaño y el peso de MSL no eran problemas que no pudieran resolverse. Pero las simulaciones informáticas mostraron que el enorme peso de la sonda crearía una fuerte turbulencia, lo que produciría condiciones más severas de las que hubiera soportado cualquier anterior escudo térmico de entrada a Marte. Y cuando giraron el material del escudo térmico hacia el lado del flujo de aire caliente que se aproximaba para simular la turbulencia, las celdas de panal "saltarían", lo que provocaría una reacción en cadena de averías. La investigadora del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley (EE. UU.), Helen Hwang, quien estaba a cargo del sistema de protección térmica de MSL en ese momento, recuerda: "La prueba no se parecía en nada a lo que habíamos visto antes".

A raíz de esas averías, el equipo de Hwang enfrentó un grave problema de tiempo. Era 2007, y el lanzamiento debía tener lugar en menos de dos años. En su opinión, había dos opciones: rediseñar la misión para reducir las condiciones térmicas, o crear un nuevo material de protección contra el calor. La primera opción limitaría los sitios dónde el róver y los instrumentos científicos que podría llevar podrían aterrizar. La segunda opción significaba que tendrían que diseñar, desarrollar, probar y construir un nuevo escudo térmico en menos de 18 meses. Era la opción más arriesgada, pero permitiría cumplir todos los objetivos de la misión. Por eso fue la que eligieron.

Al ritmo al que están creciendo las ambiciones humanas en el espacio, nuestra creatividad deberá hacer lo mismo. Para explorar las densas atmósferas de planetas como Venus o Saturno, necesitaremos protectores térmicos ultra resistentes capaces de soportar las intensas presiones. Para enviar muestras marcianas de vuelta a la Tierra, necesitaremos escudos térmicos indestructibles que eviten que formas de vida extraterrestre contaminen nuestro planeta, y viceversa. El aterrizaje de humanos en otros planetas requerirá cápsulas de reentrada atmosférica (aeroshell) de un enorme tamaño y protegidas por escudos térmicos, con los diámetros de casi 20 metros de ancho, o más. Nunca antes se había llevado a Marte nada parecido a esa escala.

Los desafíos para desarrollar estas tecnologías serán inmensos, pero también lo serán las recompensas si robots y humanos logran expandir nuestras fronteras de forma segura. Sin avances en las cápsulas de reentrada atmosférica y en los escudos térmicos, tales misiones no tendrán sentido, simplemente se quemarán en la atmósfera.

Cuando se viaja al espacio, hay dos razones para reducir la velocidad: para regresar a la Tierra o para parar en otro cuerpo celeste. Una forma de reducir la velocidad consiste en usar el mismo método que para acelerar: cohetes. Pero esto significa llevar más combustible, lo que añade más peso. Tiene más sentido usar la atmósfera, si la hay. Pero para sobrevivir al calor se requieren materiales inteligentes y naves espaciales inteligentemente diseñadas.

Los diseños inteligentes se originaron en la década de 1950 en el Centro de Investigación Ames, el mismo lugar donde Hwang trabajaría más tarde para desarrollar el escudo térmico MSL. El director de la División de Investigación de Alta Velocidad de Ames a principios de la década de 1950, Harry Julian "Harvey" Allen, ideó el llamado cuerpo romo, que tiene un lado plano y ancho para soportar el golpe del calor. Allen y un colega suyo trabajaron en esta teoría durante el año siguiente. Se dieron cuenta de que un cuerpo romo crearía una fuerte onda de choque delante de él, que desviaría gran parte del calor del vehículo. Luego idearon la segunda pieza del rompecabezas: la ablación, que implica usar materiales diseñados para descomponerse y erosionarse en la entrada para crear una capa carbonizada que aleja con eficacia el calor del vehículo.

Al principio, el concepto de cuerpo romo fue recibido con escepticismo, y se mantuvo clasificado hasta 1957. Pero en mayo de 1961, cuando Alan Shepard se convirtió en el primer estadounidense en viajar al espacio, su cápsula Friendship 7 usó la parte roma y cónica para regresar a la Tierra de manera segura.

La investigación de nuevos materiales ablativos estuvo muy activa en la década de 1960 gracias al programa Apolo. La NASA trabajó con una compañía llamada Avco, que se especializó en materiales para ojivas de misiles de largo alcance. Una capa de 6,8 centímetros de espesor de "Avcoat", un material de protección térmica hecho de resina epoxi en una matriz de fibra de vidrio, absorbió lo peor del calor en el regreso del Apolo.

HEEET está diseñado para ingresar en ambientes extremos, como los de Saturno o Neptuno.

Foto: El escudo térmico HEEET está diseñado para entrar en atmósferas extremas, como las de Saturno o Neptuno. Créditos: Jessica Chou

Para las misiones Viking y sus lanzamientos de las primeras sondas espaciales que aterrizaron en Marte con éxito en la década de 1970, la NASA usó un nuevo material llamado SLA-561V. Al igual que Avcoat, SLA (siglas en inglés de "material ablativo súper ligero") se basa en una estructura de panal rellena de resina ablativa. Pero los ingenieros de Martin Marietta, la compañía que diseñó el material, también integraron componentes más ligeros, como el silicio y el corcho, para reducir su densidad.

Los transbordadores espaciales, lanzados por primera vez en la década de 1980, necesitaban un enfoque completamente nuevo. Iban a ser reutilizables, así como los escudos térmicos. Así que en lugar de usar SLA, las naves estaban protegidas con carbono reforzado con fibras de carbono en la punta de la nave y en los bordes delanteros de las alas, y con loseta de cerámica en su zona frontal.

Hwang, quien creció en una pequeña ciudad en Iowa (EE.UU.), recuerda haber manejado una loseta de transbordador espacial en una presentación escolar. Esa experiencia le despertó el deseo de trabajar en tecnologías de protección térmica. Después de obtener su doctorado en física de plasma en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE. UU.), empezó a trabajar en el Centro de Investigación Ames, pero en algo que no tenía nada que ver con los escudos térmicos. Durante varios años, trabajó en el grabado con plasma de los circuitos en microchips. Cuando se agotó la financiación, pasó a los escudos térmicos, haciendo realidad su deseo de infancia.

Cuando a Hwang se le encargó la tarea de crear un escudo térmico para el proyecto MSL en 2006, primero recurrió al SLA. Pero en seguida se dio cuenta de que ese material no iba a funcionar. La investigadora recuerda: "Nunca averiguamos por qué se causaba el fallo, pero se repetía; lo probamos en muchas instalaciones diferentes y encontramos el mismo fallo en distintas condiciones".

Pero no había muchas más opciones. La única posibilidad viable era un material ablativo de carbono impregnado de fenol (llamado PICA), que se había desarrollado en Ames en la década de 1990 para la misión Stardust, la primera que trajo de vuelta muestras de un cometa y cuya reentrada atmosférica fue más rápida de la historia. Stardust había usado una pieza continua de PICA, pero MSL era demasiado grande para eso. En su lugar, tuvieron que crear losetas de ese material y diseñar una sonda Mars para cubrirla con ellas, de una manera que no permitiera que las líneas de flujo del gas salieran entre las juntas posiblemente vulnerables entre las losetas. Fue el primer escudo térmico de azulejos ablativos, y el aeroshell más grande lanzado jamás. (SpaceX utiliza ahora la misma solución para su cápsula del Dragón. La NASA prestó a uno de los diseñadores de PICA en Ames, Dan Rasky, a SpaceX para ayudar a diseñar el material de protección térmica del Dragón, conocido como PICA-X).

"Quiero explorar nuestro sistema solar. Sólo hemos estado en unos pocos lugares. Yo quiero ir a todos".

A medida que se acercaba la fecha límite del lanzamiento de MSL, Hwang y su equipo probaban distintas muestras de PICA en el Complejo Arc Jet en Ames, mejorando su comprensión del material y los detalles con cada prueba nueva. Perfeccionaron su escudo a tiempo para el lanzamiento de 2009, pero al final la misión tuvo que retrasarse hasta 2011 para tener listos otros sistemas. MSL finalmente aterrizó en Marte en agosto de 2012. Curiosity sigue funcionando en Marte, y ha tenido tanto éxito que la NASA está desarrollando otra misión, el Mars róver 2020, con un diseño similar. Hwang ha retomado su papel en la gestión del sistema de protección térmica, que volverá a utilizar PICA para proteger la nave cuando desciende a Marte a principios de 2021.

Uno de los deberes más importantes del Mars róver 2020 será la recogida de muestras que algún día podrían ser devueltas a la Tierra por una futura sonda. Mientras los científicos estudian cómo aterrizar la próxima generación de naves espaciales en otros mundos, también trabajan en planificar cómo traer ambientes alienígenas a la Tierra.

Si los humanos quieren aterrizar en Marte, necesitarán escudos térmicos de al menos cuatro veces el diámetro del de MSL. Es por eso que la NASA ahora está investigando los aeroshell expandibles, que se podrían colocar dentro de la cubierta del vehículo de lanzamiento y desplegarse en un escudo más grande en el espacio. Gran parte de ese trabajo se está realizando en el Centro de Investigación Langley de la NASA (EE. UU.). En la mañana del 23 de julio de 2012, un cohete sonda despegó desde las Instalaciones de Wallops Flight de la NASA. El cohete llevaba un aeroshell desplegable conocido como desacelerador aerodinámico inflable hipersónico (HIAD), un cono ancho y poco profundo que consiste en una estructura inflable de tubos en forma de rosquilla. El HIAD tenía menos de medio metro de diámetro, pero cuando llegó al espacio se desplegó a tres metros. Al ampliar el escudo, el calor de la reentrada se propaga en un área más grande.

El cohete ascendió 467 kilómetros, muy por encima del límite del espacio, cuando el HIAD se infló a su tamaño completo. Las cámaras de a bordo capturaron una vista del Océano Atlántico cuando la estructura caía por la atmósfera. El concepto HIAD ha tenido buenos resultados en estas pruebas de vuelo, pero algunas personas todavía se resisten a la idea de proteger a los astronautas con rumbo a Marte con un aeroshell inflable. El ingeniero aeroespacial en Langley y miembro del equipo HIAD Robert Dillman cuenta: "Mucha gente dice: 'Oh, es una estructura inflable, se va a doblar como un juguete de piscina'. Pero es bastante sólido. Suena cuando se toca".

Los aeroshells más grandes empujan las ondas de choque más lejos de la nave espacial, lo que aumenta la protección contra el calor de entrada. El calor restante lo rechaza el sistema de protección térmica flexible que cubre la estructura inflable con tejido exterior resistente y con el aislamiento.

La próxima HIAD programada para volar alcanzará la órbita baja de la Tierra y se expandirá a seis metros. Pero estos conceptos inflables no son los únicos aeroshells expandibles. Un equipo en Ames está desarrollando un escudo plegable llamado Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Hecho de fibras de carbono flexibles y entrelazadas en 3D, el escudo se abre como un paraguas y se mantiene firme gracias a sus soportes de metal.

Hwang también trabaja en el desarrollo del escudo térmico llamado Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), que podría servir para las misiones a Venus, Saturno, Urano y Neptuno. HEEET es mucho más resistente que PICA y SLA-561V, y por lo tanto es más adecuado para atmósferas densas. En el pasado, cada misión tenía un escudo térmico único, pero eso aumenta los costes. Hwang espera lograr economías de escala, una especie de Ford Modelo T de vuelta.

La experta concluye: "Quiero explorar nuestro sistema solar. Sólo hemos estado en unos pocos lugares. Yo quiero ir a todos".

Tecnología y Sociedad

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