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La NASA construye un nuevo tipo de nave que cambiará la exploración espacial para siempre Monday, 13 February 2023

Desde que habitaba en las cavernas, el ser humano nunca ha dejado de preguntarse por el resplandeciente mecanismo de relojería que ilumina el cielo nocturno. Nuestros cerebros, hechos de la misma materia estelar que da forma a esa danza cósmica, siguen buscando respuestas a preguntas fundamentales para nuestra propia existencia. El deseo de conocer por qué, dónde y cómo hemos llegado a ser sólo se ve frenado por los limitados recursos que los políticos destinan a esta búsqueda. Las limitaciones presupuestarias sólo permiten que un puñado de naves espaciales recorran el sistema solar cada década. Así, los mundos que podrían darnos respuestas a nuestra eterna búsqueda parecen siempre fuera nuestro alcance. Afortunadamente, esto podría cambiar pronto gracias a un nuevo e ingenioso diseño de nave espacial creado en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Pasadena, California.

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SHIELD (acrónimo de Simplified High Impact Energy Landing Device) es un nuevo tipo de tren de aterrizaje diseñado para que las naves espaciales puedan llegar a cualquier planeta o luna siempre que tengan atmósfera. El mecanismo se deshace de los habituales mecanismos de entrada, descenso y aterrizaje (técnicamente denominados EDL, éstas representan algunas de los componentes más pesados y costosos necesarios para enviar un robot a estudiar planetas en primera persona) y las sustituye por un acordeón cónico aplastable capaz de absorber la energía cinética del impacto extremadamente violento contra la superficie del planeta. "Funciona de forma muy parecida a la zona de deformación de un automóvil", me dice Lou Giersch, director del proyecto SHIELD, cuando le entrevisté por videoconferencia.

"Un enjambre de exploradores podría visitar muchos lugares interesantes en la atmósfera, sobre o bajo la superficie de planetas o lunas para recuperar información científica importante, y para buscar vida extraterrestre en el sistema solar, y más tarde en nuestro vecindario galáctico" — Avi Loeb

Estos vehículos espaciales equipados con SHIELD serán mucho más ágiles, sencillos y baratos que la actual generación de naves, hasta el punto de que podrían permitir la exploración con enjambres de robots y misiones más frecuentes para explorar nuestro vecindario solar de forma continua, redundante y sin miedo al fracaso. Si funciona como se espera, SHIELD podría ser el precursor de una nueva era de exploración espacial.

Historia de las sondas espaciales

Los exploradores de la NASA han utilizado diversos métodos para aterrizar en otros planetas. Todos ellos eran complejos, caros y arriesgados. Las misiones a Marte son un ejemplo perfecto de esos retos. Las naves espaciales deben sobrevivir a la fricción atmosférica del planeta, que puede fundirlas cuando su velocidad se reduce de más de 16.000 kilómetros por hora a cero. Por el camino, tienen que desplegar un paracaídas y retrocohetes con la precisión de un reloj suizo mientras buscan frenéticamente terreno llano donde aterrizar, libre de grandes rocas o agujeros por su cuenta, sin ayuda humana de ningún tipo. No es de extrañar que 10 de las 21 misiones de aterrizaje en Marte no hayan logrado llegar con éxito.

El Viking 1 fue el primer explorador que llegó a Marte en 1976. Era una plataforma científica triangular de 572 kilogramos con tres patas que medía 182 x 365 x 304 cm. Primero utilizó una cubierta térmico, luego un paracaídas para frenar y, por último, retrocohetes para aterrizar por sí misma.

Diecisiete años más tarde, el rover Pathfinder de 360 kilogramos se sumergió en la atmósfera de Marte envuelto en un capullo de gigantescos airbags esféricos. El rover estaba protegido por una cápsula cuyo descenso ralentizada primero por un escudo térmico, luego un paracaídas y, por último, un paquete de retrocohetes, que se dispararon a unos 68 metros sobre el suelo. A 30 metros, el paquete de retrocohetes cortó el cabo que sujetaba el capullo neumático, que cayó a la superficie de Marte, rebotando 16 veces hasta detenerse finalmente dos minutos más tarde en un punto aleatorio de Ares Vallis, un canal de desagüe marciano que los científicos sospechan que puede haber sido tallado por el agua.

Aunque el sistema de aterrizaje del Pathfinder funcionó, la NASA tuvo que diseñar un nuevo método para aterrizar el Curiosity: el método del airbag no era capaz de aterrizar con seguridad a este robot de seis ruedas, que es tan grande como un Volkswagen escarabajo y pesa 900 kilogramos. El sistema de aterrizaje del Curiosity era exponencialmente más complejo que cualquier otro en la historia de la NASA. De hecho, el diseño era tan complicado que la agencia espacial grabó un vídeo en el que explicaba cómo podía salir todo mal, desde su paracaídas hipersónico hasta la grúa flotante que colocó suavemente el rover sobre la superficie del planeta. Tras posar limpiamente el vehículo sobre la corteza marciana, la grúa utilizó cargas pirotécnicas para cortar los cables antes de alejarse todo lo que pudo del Curiosity para evitar dañarlo.

El proceso tenía múltiples puntos potenciales de fallo pero funcionó: dos veces, de hecho, repitiendo la hazaña con Perseverance en 2021. Como me contó el ingeniero jefe del EDL del Curiosity, Adam Steltzner, en una entrevista en el JPL al día siguiente del aterrizaje del rover, parece una locura, pero "es uno de los mejores sistemas de aterrizaje que [la NASA] ha diseñado jamás."

El poder de la sencillez

SHIELD es más sencillo y menos costoso que los anteriores sistemas de aterrizaje de la NASA, pero no por ello menos ingenioso. En lugar de utilizar paracaídas, airbags, retrocohetes o grúas aéreas, una nave espacial equipada con SHIELD entrará en la atmósfera a toda velocidad en una trayectoria de bajo coeficiente balístico, ralentizada únicamente por la fricción atmosférica. La nave se estrellará contra la superficie de planetas y lunas. Y ya está. No hay más pasos. Una vez en el suelo, la sonda encenderá sus instrumentos científicos y tal vez incluso despliegue un pequeño rover o una máquina voladora, como una versión en la vida real de la sonda imperial que salió a la superficie de Hoth en busca de rebeldes en El Imperio Contraataca.

Giersch afirma que él y sus colegas se inspiraron en SHIELD mientras trabajaban como parte de un equipo de apoyo en el diseño de la misión Mars Sample Return (MSR), que enviará rocas marcianas a la Tierra en 2033. El módulo de aterrizaje MSR irá al planeta rojo para recoger las muestras tomadas por el rover Perseverance y enviarlas a la Tierra dentro de una cápsula para su análisis. Esta cápsula se estrellará en la Tierra. "Aterrizará en el Campo de Pruebas y Entrenamiento de Utah [del Departamento de Defensa], que es una zona muy grande donde el suelo es relativamente blando", explica Giersch. Lo suficientemente blando como para absorber la energía cinética de la pequeña cápsula, de modo que pueda sobrevivir al impacto.

Mientras Giersch y sus colegas estudiaban el terreno de Utah, empezaron a pensar que tal vez podrían estrellar sondas científicas en otros planetas. Se trataba de una idea descabellada, porque siempre se ha supuesto que las naves espaciales necesitan un aterrizaje muy suave, con una desaceleración muy baja, para preservar sus sistemas electrónicos y mecánicos. Pero, según me cuenta Giersch, un vehículo típico de SHIELD experimentará una desaceleración repentina de entre 1.000 y 2.000 G (2000 veces la gravedad de la Tierra) al chocar, suficiente para licuar a un humano en el impacto o destrozar cualquier mecánica o electrónica en un billón de pedazos. Además, los científicos no saben qué tipo de terreno podría encontrar un vehículo de aterrizaje forzoso en otros planetas. Podría ser tan blando como el de Utah o tan duro como un bloque de granito.

Rendering de un lander SHIELD en Marte.
Rendering de un lander SHIELD en Marte.

Fue entonces cuando se les ocurrió la idea de un sistema de absorción de impactos, me cuenta Giersch. Desde fuera, el sistema SHIELD es sencillo y elegante. Parece un cono formado por segmentos metálicos cilíndricos concéntricos superpuestos. El segmento más ancho contiene la carga científica, mientras que la parte más estrecha es la que impacta primero contra el planeta. Cuando SHIELD choca contra la superficie, estos segmentos empiezan a colapsarse unos sobre otros, absorbiendo y disipando la energía del choque a medida que la estructura se deforma. "Cuando chocamos contra el suelo, se arruga desacelerando el vehículo, limitando las fuerzas máximas que experimenta el módulo de aterrizaje a algo que creemos que la electrónica puede soportar", afirma Giersch.

El sistema funciona. "La última prueba fue realmente bien", me dice Giersch. "Impactó contra el suelo a 40 metros por segundo y disipó cerca del 98% de toda la energía cinética. Anteriormente habíamos hecho otra prueba con una versión más pequeña de SHIELD a 50 metros por segundo, nuestra velocidad máxima de aterrizaje en Marte." Hasta ahora, todas sus pruebas han funcionado a la perfección.

Además de los instrumentos científicos que midieron la prueba — como un acelerómetro — el equipo de Giersch también colocó un smartphone de consumo dentro del módulo de aterrizaje para ver si podía sobrevivir. Tras la prueba, funcionó sin problemas. Esto le dio la seguridad de que SHIELD es una tecnología sólida, aunque todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que esté lista para su lanzamiento. En estos momentos, el equipo de Giersch en el JPL está trabajando con colaboradores de los Centros de Investigación Ames y Langley de la NASA para madurar su diseño. Al mismo tiempo, los ingenieros de la NASA están trabajando con la comunidad científica para identificar cargas útiles de instrumentos que puedan aprovechar la tecnología SHIELD para crear conceptos de misión atractivos y de bajo coste.

Giersch está entusiasmado con las posibilidades de esa eventual investigación marciana. Cree que la masa máxima de un módulo de aterrizaje SHIELD será de 200 kilos, aproximadamente la cuarta parte de un rover Curiosity. Todo lo que pese más tendría demasiada energía cinética para que el sistema SHIELD la absorba. Gran parte de ese peso corresponde a la zona de arrugamiento, las baterías y los sistemas electrónicos de apoyo a la misión, lo que deja unas 20 kilogramos de carga útil científica que puede utilizarse para diversas misiones. Es una masa suficiente para incluir muchos instrumentos científicos, e incluso para desplegar pequeños rovers y helicópteros, que podrían explorar más a fondo el terreno alrededor del módulo de aterrizaje.

El sistema de deformación que absorbe el impacto en una nave SHIELD.
El sistema de deformación que absorbe el impacto en una nave SHIELD.

Chad Edwards, que dirige la Oficina de Estudios Avanzados del Programa Marte del JPL, me contó que, aunque aún no se ha completado el análisis de costes totales, una misión de aterrizaje SHIELD podría llevarse a cabo con un coste entre un 10 y un 20% inferior al de anteriores misiones de aterrizaje suave en Marte, como Curiosity. Aunque cree que los vehículos SHIELD no sustituirán a los vehículos exploradores de mayor tamaño, me dice, "la disponibilidad de esta tecnología puede abrir la puerta a un acceso mucho menos costoso y más frecuente a la superficie marciana para investigaciones científicas novedosas, incluidas las redes distribuidas de varios aterrizadores."

Una nueva era espacial

El astrofísico Avi Loeb cree que SHIELD es "una idea excelente". Loeb, profesor de astrofísica en la Universidad de Harvard y director del Instituto de Teoría y Computación del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica cuyas columnas publicamos en Novaceno una vez a la semana, es un gran defensor de la idea de la exploración espacial distribuida que permite SHIELD. De hecho, es cofundador de Copernicus Space Corporation, una organización cuyo objetivo es crear una infraestructura de apoyo a la exploración espacial en todo el sistema solar mediante enjambres de pequeñas naves espaciales redundantes.

La visión de Loeb — que ya fue inicialmente imaginada por el astrofísico John von Neumann a mediados del siglo XX — propone un camino para la exploración espacial que se desvía de las "misiones grandes, caras y a menudo tripuladas". Cree que la tecnología está ahora en un punto en el que podemos utilizar enjambres de numerosas sondas pequeñas, baratas, autónomas y potencialmente inteligentes artificialmente. "Un enjambre de minisondas podría visitar muchos lugares interesantes en la atmósfera, sobre o bajo la superficie de planetas o lunas para recuperar información científica importante, y para buscar vida extraterrestre en el sistema solar, y más tarde en nuestro vecindario galáctico".

Una ilustración de sondas von Neumann,
Una ilustración de sondas von Neumann,

Además, un enjambre reduce la presión de un solo vehículo: "La robustez estadística del sistema hace que, si se pierden una o dos [naves espaciales], no importa porque hay muchas otras que pueden completar los objetivos científicos". Hoy, los vehículos exploradores de la NASA requieren mucho tiempo y dinero. Por ejemplo, la construcción y el lanzamiento de Perseverance costaron 2.700 millones de dólares. Perder un explorador de estas características sería un golpe devastador no sólo para los contribuyentes estadounidenses, sino también para la comunidad científica internacional.

Un diseño como SHIELD también permitirá a la NASA enviar un rover a lugares arriesgados que podrían proporcionar datos muy valiosos si tienen éxito. "Tal vez estemos dispuestos a arriesgar cien millones de dólares en un rover para ir a un lugar que es muy, muy emocionante, pero peligroso en términos del entorno de aterrizaje", dice Giersch. Lugares como Valles Marineris, el cañón más profundo del sistema solar que atraviesa el ecuador de Marte.

Porque, como señala Giersch, para comprender realmente un sistema complejo como un mundo entero es necesario ampliar la investigación, al igual que estudiamos la Tierra utilizando múltiples satélites y estaciones terrestres. "Si se dispone de muchos módulos de aterrizaje diferentes, se puede aprender mucho más midiendo un fenómeno desde distintos lugares", afirma.

La filosofía de enjambre de SHIELD encierra la promesa de un conocimiento más profundo de nuestra existencia a la vuelta de la esquina y un nuevo camino para la humanidad en un futuro lejano, como señaló Loeb en una columna hace unas semanas: "Con el tiempo, la fusión de la nanotecnología y la biología sintética [en este enjambre de sondas] nos permitirá considerar la siembra de vida terrestre en nuestra galaxia, así como llevar el legado de la Tierra y de nuestra humanidad al espacio para su conservación durante miles de millones de años". Estamos lejos de eso pero, por ahora, este es un camino demasiado emocionante y poderoso para ignorarlo. Nuestro destino nos espera.


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