Imagina este escenario. El año es 2030 o por ahí. Después de viajar seis meses desde la Tierra, usted y varios otros astronautas son los primeros humanos en Marte. Estás parado en un mundo alienígena, tierra polvorienta y roja debajo de tus pies, mirando a tu alrededor un montón de equipos de minería depositados por anteriores robots de aterrizaje.
Las palabras finales del control de la misión hacen eco en tus oídos: “Tu misión, si quieres aceptarla, es regresar a la Tierra, si es posible, usando combustible y oxígeno que extraes de las arenas de Marte. ¡Buena suerte!"
Suena bastante simple, extraer materias primas de un planeta rocoso y arenoso. Lo hacemos aquí en la Tierra, ¿por qué no también en Marte? Pero no es tan simple como parece. Nunca hay nada sobre física granular.
La física granular es la ciencia de los granos, desde granos de maíz hasta granos de arena y café molido. Estas son sustancias comunes de todos los días, pero pueden ser muy difíciles de predecir. En un momento se comportan como sólidos, al siguiente como líquidos. Considere un camión de basura lleno de grava. Cuando el camión comienza a inclinarse, la grava permanece en una pila sólida, hasta que, en cierto ángulo, de repente se convierte en un río atronador de roca.
Comprender la física granular es esencial para diseñar maquinaria industrial para manejar grandes cantidades de sólidos pequeños, como la fina arena marciana.
El problema es que, incluso aquí en la Tierra, "las plantas industriales no funcionan muy bien porque no entendemos las ecuaciones para materiales granulares, así como tampoco entendemos las ecuaciones para líquidos y gases", dice James T. Jenkins, profesor de teoría y mecánica aplicada en la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York "Es por eso que las centrales eléctricas de carbón operan con bajas eficiencias y tienen tasas de falla más altas en comparación con las centrales eléctricas de combustible líquido o de gas".
Entonces, ¿entendemos el procesamiento granular lo suficientemente bien como para hacerlo en Marte? él pide.
Comencemos con la excavación: "Si cavas una zanja en Marte, ¿qué tan empinados pueden ser los lados y permanecer estables sin ceder?" se pregunta Stein Sture, profesor de ingeniería civil, ambiental y arquitectónica y decano asociado de la Universidad de Colorado en Boulder. No hay una respuesta definitiva, todavía no. Las capas de suelos polvorientos y rocas en Marte no se conocen suficientemente bien.
Sture señala que parte de la información sobre la composición mecánica del metro superior de los suelos marcianos podría obtenerse mediante un radar de penetración en el suelo u otros dispositivos de sondeo, pero mucho más profundo y "probablemente necesite tomar muestras de núcleo". El módulo de aterrizaje Phoenix Mars de la NASA (aterrizaje de 2008) podrá cavar trincheras de aproximadamente medio metro de profundidad; El Laboratorio de Ciencias de Marte 2009 podrá cortar núcleos de roca. Ambas misiones proporcionarán nuevos datos valiosos.
Para profundizar aún más, Sture (en relación con el Centro de Construcción Espacial de la Universidad de Colorado) está desarrollando excavadoras innovadoras cuyo negocio finaliza en suelos. La agitación ayuda a romper los enlaces cohesivos que mantienen unidos los suelos compactados y también puede ayudar a mitigar el riesgo de colapso de los suelos. Máquinas como estas podrían algún día ir a Marte también.
Otro problema son las “tolvas”: los embudos que usan los mineros para guiar la arena y la grava sobre las cintas transportadoras para su procesamiento. El conocimiento de los suelos marcianos sería vital para diseñar las tolvas más eficientes y sin mantenimiento. "No entendemos por qué las tolvas se atascan", dice Jenkins. Las mermeladas son tan frecuentes, de hecho, que "en la Tierra, cada tolva tiene un martillo cerca". Golpear la tolva libera el atasco. En Marte, donde solo habría unas pocas personas alrededor para atender el equipo, querrás que las tolvas funcionen mejor que eso. Jenkins y sus colegas están investigando por qué los flujos granulares se atascan.
Y luego está el transporte: los rovers de Marte Spirit y Opportunity han tenido pocos problemas para conducir millas alrededor de sus sitios de aterrizaje desde 2004. Pero estos rovers son solo del tamaño de un escritorio de oficina promedio y tan grandes como un adulto. Son go-carts en comparación con los vehículos masivos posiblemente necesarios para transportar toneladas de arena y roca marcianas. Los vehículos más grandes tendrán más dificultades para moverse.
Sture explica: Ya en la década de 1960, cuando los científicos estudiaban por primera vez posibles rovers con energía solar para negociar arenas sueltas en la Luna y otros planetas, calcularon "que la presión continua viable máxima para rodar la presión de contacto sobre suelos marcianos es de solo 0.2 libras por pulgada cuadrada (psi) ", especialmente cuando se viaja cuesta arriba o cuesta abajo. Esta baja cifra ha sido confirmada por el comportamiento del Espíritu y la Oportunidad.
Una presión de contacto rodante de solo 0.2 psi "significa que un vehículo tiene que ser liviano o debe tener una manera de distribuir efectivamente la carga a muchas ruedas o orugas. Reducir la presión de contacto es crucial para que las ruedas no cavan en el suelo blando o rompan los duricrusts [láminas delgadas de suelos cementados, como la delgada corteza de la nieve arrastrada por el viento en la Tierra] y se atascan ".
Ese requisito implica que un vehículo para mover cargas más pesadas (personas, hábitats, equipos) podría ser "una gran cosa tipo Fellini con ruedas de 4 a 6 metros (12 a 18 pies) de diámetro", dice Sture, refiriéndose al famoso italiano director de películas surrealistas. O podría tener enormes huellas metálicas de malla abierta como un cruce entre las retroexcavadoras de construcción de carreteras en la Tierra y el vehículo lunar utilizado durante el programa Apolo en la Luna. Por lo tanto, los vehículos con orugas o con cinturón parecen prometedores para transportar grandes cargas útiles.
Un desafío final que enfrentan los físicos granulares es descubrir cómo mantener el equipo funcionando durante las tormentas de polvo estacionales de Marte. Las tormentas marcianas azotan el polvo fino a través del aire a velocidades de 50 m / s (100+ mph), recorriendo cada superficie expuesta, tamizando en cada grieta, enterrando estructuras expuestas tanto naturales como artificiales, y reduciendo la visibilidad a metros o menos. Jenkins y otros investigadores están estudiando la física del transporte eólico [de viento] de arena y polvo en la Tierra, tanto para comprender la formación y el movimiento de las dunas en Marte, como también para determinar qué sitios para hábitats eventuales podrían estar mejor protegidos de los vientos dominantes ( por ejemplo, a sotavento de grandes rocas).
Volviendo a la gran pregunta de Jenkins, "¿entendemos el procesamiento granular lo suficientemente bien como para hacerlo en Marte?" La respuesta inquietante es: aún no lo sabemos.
Trabajar con conocimiento imperfecto está bien en la Tierra porque, por lo general, nadie sufre mucho de esa ignorancia. Pero en Marte, la ignorancia podría significar una eficiencia reducida o peor, evitar que los astronautas extraigan suficiente oxígeno e hidrógeno para respirar o usar el combustible para regresar a la Tierra.
Los físicos granulares que analizan los datos de los rovers de Marte, construyen nuevas máquinas de excavación, juegan con las ecuaciones, están haciendo su mejor esfuerzo para encontrar las respuestas. Todo es parte de la estrategia de la NASA para aprender cómo llegar a Marte ... y volver de nuevo.
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