El delicado arte del aerofrenado: la clave para explorar Venus

La década de Venus está casi sobre nosotros. Con tres próximas misiones a Venus planeado por la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA), estamos a punto de aprender más que nunca sobre nuestro planeta vecino.

Pero no solo aprenderemos sobre ciencia planetaria. Esta vez también aprenderemos a controlar una nave espacial en una atmósfera alienígena, gracias a dos misiones: la de la ESA. Visualizar y VERITAS de la NASA, que están configurados para utilizar una nueva técnica llamada aerofrenado para poner su nave espacial en la órbita correcta para que puedan hacer su ciencia.

Hablamos con ingenieros y científicos de la misión EnVision para saber cómo planean lograrlo y qué podrían aprender de ello.

Reducir la velocidad usando la atmósfera

Normalmente, reduciría la velocidad de una nave espacial de la misma manera que la acelera: quemando combustible. La propulsión química es una excelente manera de producir mucha fuerza muy rápidamente, y es lo que necesita tanto para el lanzamiento desde su origen como para entrar en órbita en su destino.

Sin embargo, el combustible también es muy pesado. Y el peso es dinero cuando se trata de lanzamientos de cohetes. Cuanto más combustible lleve una nave espacial, más caro será su lanzamiento y menos asignación habrá para instrumentos científicos.

Entonces, en las últimas décadas, los ingenieros espaciales han estado desarrollando una forma más eficiente de reducir la velocidad de una nave espacial. En lugar de quemar combustible, este nuevo método aprovecha la atmósfera que existe en la mayoría de los lugares que nos gustaría visitar. La nave espacial se acerca a los bordes superiores de la atmósfera y se sumerge, donde la fricción la ralentizará un poco. Luego, la nave espacial retrocede antes de sumergirse nuevamente, disminuyendo gradualmente la velocidad en múltiples inmersiones y bajando su órbita con el tiempo.

Este método, llamado aerofrenado, ha sido utilizado por naves espaciales en Marte e incluso se ha experimentado con naves espaciales que regresan a la Tierra. Pero ahora los equipos de la misión también quieren usar la técnica para dos de las próximas misiones a Venus.

Un par de naves anteriores de Venus, como Magellan y Venus Express, han usado aerofrenado al final de sus misiones, cuando su principal trabajo científico estaba terminado y los equipos querían experimentar con el técnica. Pero EnVision y VERITAS serán las primeras naves espaciales en usar aerofrenado al comienzo de sus misiones para entrar en la órbita correcta.

Un maratón de 15 meses 

Cuando EnVision llegue a Venus, estará orbitando a una altitud de 150,000 millas. Y necesita llegar hasta 300 millas sobre la superficie para obtener las lecturas que el equipo quiere. Para ello, se sumergirá en la atmósfera miles de veces durante un periodo de entre 15 meses y dos años, moviéndose gradualmente hacia la órbita correcta.

Esto requiere una planificación meticulosa, pero también requiere un conocimiento detallado de las condiciones atmosféricas para predecir cómo afectarán las maniobras a la nave espacial. Los factores más importantes que afectarán el aerofrenado serán la temperatura, la densidad y la velocidad del viento, todos los cuales varían considerablemente en diferentes partes de la atmósfera de Venus.

Eso hace que el aerofrenado en Venus sea mucho más complicado que el aerofrenado en Marte, por ejemplo. Venus tiene una gravedad mucho mayor que Marte, lo que significa que la nave espacial experimentará velocidades mucho más altas al atravesar la atmósfera. Es por eso que el proceso va a tomar tanto tiempo.

El duro entorno de Venus

Otro desafío es que Venus es un lugar profundamente inhóspito, y eso se extiende a su atmósfera también. Venus está más cerca del sol que la Tierra, por lo que recibe una cantidad considerable de calor y radiación solar que la nave espacial debe poder soportar. Y a medida que la nave espacial cae en la atmósfera para el aerofrenado, la fricción hace que disminuya la velocidad, pero eso también provoca el calentamiento.

Las temperaturas exactas que experimentará la nave espacial dependerán de las decisiones finales de diseño, pero estarán en el región de "tal vez 200 o 300 grados centígrados para la temperatura más alta", Adrian Tighe, científico de materiales de EnVision, dicho. También está la radiación ultravioleta del sol que la nave espacial tendrá que manejar. "Es un entorno bastante duro para los materiales".

Sin embargo, la mayor amenaza para la nave espacial durante el aerofrenado no es el calor ni la radiación. Más bien, es un componente de la atmósfera superior, el oxígeno atómico. A diferencia de la mayoría de las moléculas de oxígeno en la Tierra, que están formadas por dos átomos de oxígeno, el oxígeno atómico se ha dividido por la radiación del sol y, por lo tanto, solo tiene un átomo de oxígeno. Eso significa que es altamente reactivo, por lo que puede devorar los materiales y corroerlos.

Esas son malas noticias para la nave espacial, que necesita sobrevivir a la fase de aerofrenado de meses y luego poder continuar con su misión científica. Y la nave espacial será literalmente bombardeada por estas partículas, ya que se moverá a una alta velocidad de alrededor de cinco millas por segundo. "Es una combinación de una reacción química y la velocidad del impacto" lo que causará el problema, explicó Tighe, con partículas que golpean la nave espacial "como una bala veloz".

Encontrar materiales a prueba de Venus

El oxígeno atómico puede oxidar los metales, pero es aún peor para los polímeros. Estos materiales similares al plástico, hechos de carbono, hidrógeno y oxígeno, reaccionan con el oxígeno atómico para formar compuestos como el dióxido de carbono que se evapora y ese material se pierde en el espacio. El oxígeno atómico también puede reaccionar con pinturas, como las pinturas blancas que se necesitan para reflejar el calor y que pueden volverse marrones y volverse menos efectivos, así como con material de aislamiento llamado multicapa aislamiento.

La mayor preocupación son los paneles solares de la nave espacial, porque están muy expuestos. Las células solares están recubiertas de vidrio, que es resistente al oxígeno atómico, pero están colocadas en un sustrato típicamente hecho de fibra de carbono, que es susceptible a la erosión. Otro componente sensible es la delgada lámina que se utiliza como aislamiento entre la celda y el panel, llamada kapton. Y hay una lámina delgada que conecta las diferentes celdas, que a veces está hecha de plata, y eso también es sensible. Entonces, los ingenieros están trabajando para elegir diferentes materiales o encontrar formas de proteger los materiales de la exposición al oxígeno atómico.

Aunque el oxígeno atómico no se encuentra mucho en la superficie de la Tierra, sabemos cómo lidiar con él, ya que se encuentra en la órbita terrestre. Los satélites están diseñados para soportar una cierta densidad de oxígeno atómico, por lo que los ingenieros están utilizando principios similares para diseñar la nave espacial EnVision para que sea resistente. Pero el medio ambiente de la Tierra no involucra temperaturas tan altas, por lo que la combinación de oxígeno atómico y altas temperaturas es un nuevo desafío.

“Así que tuvimos que usar los materiales más resistentes”, dijo Tighe, cuyo grupo ha estado ocupado probando materiales como aislamiento, pintura y energía solar. componentes del panel para encontrar los que serán capaces de soportar 15 meses de este duro entorno antes incluso de comenzar su misión principal.

Datos científicos gratis

La misión principal de EnVision no comenzará hasta que las maniobras de aerofrenado hayan llevado a la nave espacial a su órbita final de entre 130 y 340 millas. Pero los científicos nunca dejan pasar la oportunidad de aprender, por lo que un equipo de investigación está trabajando en lo que podrían aprender sobre Venus también durante la fase de aerofrenado.

Los científicos atmosféricos están entusiasmados con la posibilidad de obtener una vista de cerca de la atmósfera superior del planeta, que rara vez se estudia. Estudiar la atmósfera superior es difícil, según la científica de EnVision Gabriella Gilli del Instituto de Astrofísica de Andalucía en España, porque es tan delgado en comparación con el denso inferior atmósfera. “Es difícil de medir con instrumentos de teledetección. No tenemos suficiente precisión para que los instrumentos midan una densidad tan pequeña”, explicó Gilli.

Es por eso que la maniobra de aerofrenado ofrece una oportunidad científica única. Al tomar medidas de factores como la densidad y la temperatura durante las maniobras, los científicos pueden construir una imagen más completa de la región superior de la atmósfera.

“Realmente queremos saber cuál es el estado de la atmósfera en cada parte del planeta”, dijo Gilli. Pero actualmente, los datos limitados que tenemos de Venus se limitan a observaciones muy localizadas. También hay grandes diferencias entre cómo se comporta la atmósfera durante el día y durante la noche, que apenas estamos comenzando a comprender.

Si los científicos pueden obtener datos sobre la atmósfera superior durante esta fase, pueden compararlos con datos de otras misiones. como DaVinci para tratar de reconstruir lo que está sucediendo en la atmósfera como un todo, en lugar de solo en uno ubicación.

Adaptarse a las condiciones

Sin embargo, las observaciones recopiladas durante la fase de aerofrenado no solo serán de interés científico. También se retroalimentarán al equipo de la nave espacial, que puede ajustar la forma en que se están realizando las maniobras. planeado si, digamos, resulta que la densidad en una parte de la atmósfera es diferente de lo que era esperado.

“La atmósfera de Venus es extremadamente variable”, explicó Gilli, lo que significa que su temperatura y densidad cambian de manera compleja. “Y la variabilidad es aún mayor en la parte superior de la atmósfera”.

Eso significa que las predicciones limitadas que tenemos sobre qué esperar podrían necesitar un ajuste considerable una vez que la nave espacial llegue a Venus. Modelar las condiciones que encontrará la nave espacial será "un trabajo continuo en progreso hasta el lanzamiento", según Thomas Voirin, gerente de EnVision Study.

E incluso después del lanzamiento, ajustar las maniobras de aerofrenado es un proceso iterativo. El equipo de la misión tiene modelos de lo que pueden esperar encontrar, pero “seguro, la realidad será diferente”, dijo Voirin. Todo el proceso está diseñado con amplios márgenes, para permitir varias posibles desviaciones de las predicciones.

Una fase delicada

Lanzar cualquier misión interplanetaria es difícil, pero el aerofrenado en Venus es un desafío particular. Desde la rápida rotación de partes de la atmósfera hasta los efectos de la actividad solar, con vientos rápidos y alta variabilidad, hay muchos factores que las naves espaciales como EnVision tendrán que enfrentar con.

“Esta es una fase muy desafiante. Una fase muy delicada”, dijo Gilli.

Pero si funciona, podría demostrar una forma nueva y más asequible de poner las naves espaciales en sus órbitas. — y eso significa que las misiones pueden ser más ambiciosas en sus metas científicas sin ser más caro.

El proceso es largo y requerirá paciencia por parte de los investigadores y el público, pero tiene el potencial de cambiar la forma en que hacemos ciencia planetaria en Venus.

“Parece algo bastante complicado. Piensas, bueno, ¿por qué harías eso? ¿Por qué pasaría dos años esperando lo que es una maniobra bastante arriesgada? Es porque realmente permite la misión”, dijo Tighe. Y hay algo inherentemente satisfactorio al respecto también. “Es genial, usar la atmósfera misma para permitirte entrar en la órbita. Es una buena manera de hacerlo”.

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