Es una lástima que Marte sea un lugar tan interesante, porque en realidad es uno de los lugares más difíciles de visitar en el Sistema Solar, especialmente si quieres llevar mucho equipaje. Ese planeta es un cementerio de misiones que no lo lograron.
A medida que crezcan nuestras ambiciones y pensemos en explorar Marte con humanos, tal vez incluso futuros colonos, vamos a necesitar resolver uno de los mayores problemas en la exploración espacial.
El aterrizaje exitoso de cargas pesadas en la superficie de Marte es realmente muy difícil de hacer.
Hay un montón de desafíos con Marte, incluida la falta de una magnetosfera protectora y una gravedad superficial más baja. Pero uno de los más grandes es su delgada atmósfera de dióxido de carbono.
Si estuvieras parado en la superficie de Marte sin un traje espacial, te morirías de frío y te asfixiarías por falta de oxígeno. Pero también experimentaría menos del 1% de la presión atmosférica que disfruta aquí en la Tierra.
Y resulta que esta delgada atmósfera hace que sea increíblemente desafiante llevar cargas útiles significativas de manera segura a la superficie del Planeta Rojo. De hecho, solo el 53% de las misiones a Marte han funcionado correctamente.
Entonces, hablemos sobre cómo han funcionado las misiones a Marte en el pasado, y les mostraré cuál es el problema.
Aterrizar en Marte es lo peor
Históricamente, las misiones a Marte se lanzan desde la Tierra durante las ventanas de vuelo que se abren cada dos años más o menos cuando la Tierra y Marte están más cerca. ExoMars voló en 2016, InSight en 2018 y el rover Mars 2020 volará, bueno, 2020.
Las misiones siguen una trayectoria de transferencia interplanetaria diseñada para llegar más rápido o con la menor cantidad de combustible.
A medida que la nave espacial ingresa a la atmósfera de Marte, avanza decenas de miles de kilómetros por hora. Tiene que perder de alguna manera toda esa velocidad antes de aterrizar suavemente en la superficie del planeta rojo.
Aquí en la Tierra, puedes usar la espesa atmósfera terrestre para desacelerar tu descenso, desangrando tu velocidad con un escudo térmico. Las baldosas del transbordador espacial fueron diseñadas para absorber el calor de la reentrada, ya que el orbitador de 77 toneladas pasó de 28,000 km / ha cero.
Una técnica similar podría usarse en Venus o Titán, donde tienen atmósferas espesas.
La Luna, sin ninguna atmósfera en absoluto, es relativamente fácil de aterrizar también. Sin ninguna atmósfera, no hay necesidad de un escudo térmico, solo usa la propulsión para ralentizar su órbita y aterrizar en la superficie. Mientras traigas suficiente propelente, puedes pegar el aterrizaje.
De vuelta a Marte, con una nave espacial lanzándose a su delgada atmósfera a más de 20,000 kilómetros por hora.
La curiosidad es el límite
Tradicionalmente, las misiones han comenzado su descenso con un caparazón para eliminar parte de la velocidad de la nave espacial. La misión más pesada jamás enviada a Marte fue Curiosity, que pesaba 1 tonelada métrica, o 2,200 libras.
Cuando entró en la atmósfera marciana, iba a 5.9 kilómetros por segundo, o 22,000 kilómetros por hora.
Curiosity tenía el aeroshell más grande jamás enviado a Marte, midiendo 4.5 metros de ancho. Esta enorme caparazón aerodinámico se inclinó en ángulo, lo que permitió que la nave espacial maniobrara mientras golpeaba la delgada atmósfera de Marte, apuntando a una zona de aterrizaje específica.
A aproximadamente 131 kilómetros de altitud, la nave espacial comenzaría a disparar propulsores para ajustar perfectamente la trayectoria a medida que se acercaba a la superficie de Marte.
Aproximadamente 80 segundos de vuelo a través de la atmósfera, las temperaturas en el escudo térmico aumentaron a 2,100 grados centígrados. Para no derretirse, el escudo térmico utilizó un material especial llamado ablador de carbono impregnado fenólico, o PICA. Por cierto, el mismo material que SpaceX usa para sus Dragon Capsules.
Una vez que redujo su velocidad a menos de Mach 2.2, la nave espacial desplegó el paracaídas más grande jamás construido para una misión a Marte, de 16 metros de diámetro. Este paracaídas podría generar 29,000 kilogramos de fuerza de arrastre, ralentizándolo aún más.
Las líneas de suspensión estaban hechas de Technora y Kevlar, que son prácticamente los materiales más fuertes y resistentes al calor que conocemos.
Luego arrojó su paracaídas y usó motores de cohetes para frenar aún más su descenso. Cuando estuvo lo suficientemente cerca, Curiosity desplegó una grúa que bajó suavemente el rover a la superficie.
Esta es la versión rápida. Si desea una visión general amplia de lo que Curiosity atravesó al aterrizar en Marte, le recomiendo que eche un vistazo a "El diseño e ingeniería de la curiosidad" de Emily Lakdawalla.
La curiosidad solo pesaba una tonelada.
Pesar más no escala
¿Quiere hacer lo mismo con cargas más pesadas? Estoy seguro de que te estás imaginando aerosoles más grandes, paracaídas más grandes, grúas de cielo más grandes.
En teoría, la nave espacial SpaceX enviará 100 toneladas de colonos y sus cosas a la superficie de Marte.
Aquí está el problema. Los métodos de desaceleración en la atmósfera marciana no se amplían muy bien.
Primero, comencemos con paracaídas. Para ser honesto, en 1 tonelada, la curiosidad es casi tan pesada como se puede obtener con un paracaídas. Más pesado y simplemente no hay ningún material que los ingenieros puedan usar para manejar la carga de desaceleración.
Hace un par de meses, los ingenieros de la NASA celebraron la exitosa prueba del Experimento de Investigación de Inflación de Paracaídas Supersónico Avanzado, o ASPIRE. Este es el paracaídas que se utilizará para la misión rover Mars 2020.
Pusieron el paracaídas hecho de telas compuestas avanzadas, como nylon, Technora y Kevlar, en un cohete sonoro y lo lanzaron a una altitud de 37 kilómetros, imitando las condiciones que experimentará la nave espacial cuando llegue a Marte.
El paracaídas desplegado en una fracción de segundo, y completamente inflado, experimentó 32,000 kilogramos de fuerza. Si estaba a bordo en ese momento, experimentaría 3.6 veces más fuerza que chocar contra una pared que iba a 100 km / h usando el cinturón de seguridad. En otras palabras, no sobrevivirías.
Si la nave espacial fuera más pesada, tendría que estar hecha de telas compuestas imposibles. Y olvidarse de los pasajeros.
La NASA ha estado probando diferentes ideas para aterrizar cargas útiles más pesadas en Marte, de hasta 3 toneladas.
Una idea se llama desacelerador supersónico de baja densidad, o LDSD. La idea es usar un desacelerador aerodinámico mucho más grande que se inflará alrededor de la nave espacial como un castillo hinchable al entrar en la gravedad marciana.
En 2015, la NASA probó esta tecnología, llevando un prototipo de vehículo en un globo a una altitud de 36 kilómetros. El vehículo disparó su cohete sólido, llevándolo a una altitud de 55 kilómetros.
Mientras se disparaba hacia arriba, infló su desacelerador aerodinámico inflable supersónico a un diámetro de 6 metros (o 20 pies), que luego lo redujo a Mach 2.4. Desafortunadamente, su paracaídas no se desplegó correctamente, por lo que se estrelló contra el Océano Pacífico.
Eso es progreso. Si realmente pueden resolver la ingeniería y la física, algún día podríamos ver aterrizar naves espaciales de 3 toneladas en la superficie de Marte. Tres toneladas enteras.
Más propulsión, menos carga
La siguiente idea para escalar un aterrizaje en Marte es usar más propulsión. En teoría, puede transportar más combustible, disparar sus cohetes cuando llegue a Marte y cancelar toda esa velocidad. El problema, por supuesto, es que cuanta más masa tengas que cargar para desacelerar, menos masa podrás aterrizar en la superficie de Marte.
Se espera que la nave espacial SpaceX utilice un aterrizaje propulsivo para llevar 100 toneladas a la superficie de Marte. Debido a que está tomando un camino más directo y más rápido, la nave estelar golpeará la atmósfera marciana más rápido que 8.5 km / sy luego usará fuerzas aerodinámicas para frenar su entrada.
No tiene que ir tan rápido, por supuesto. La nave espacial podría utilizar el frenado aerodinámico, atravesando la atmósfera superior varias veces para reducir la velocidad. De hecho, este es el método que utilizan las naves espaciales orbitales que van a Marte.
Pero entonces los pasajeros a bordo tendrían que pasar semanas para que la nave espacial disminuya la velocidad y entre en órbita alrededor de Marte, y luego descienda por la atmósfera.
Según Elon Musk, su estrategia deliciosamente poco intuitiva para manejar todo ese calor es construir la nave espacial con acero inoxidable, y luego pequeños agujeros en el caparazón purgarán el combustible de metano para mantener fresco el lado de la nave.
Una vez que arroje suficiente velocidad, girará, disparará sus motores Raptor y aterrizará suavemente en la superficie de Marte.
Apunta al suelo, tira hacia arriba en el último minuto
Cada kilogramo de combustible que usa la nave espacial para frenar su descenso a la superficie de Marte es un kilogramo de carga que no puede transportar a la superficie.
No estoy seguro de que haya alguna estrategia viable que pueda aterrizar fácilmente cargas pesadas en la superficie de Marte. Las personas más inteligentes que yo piensan que es prácticamente imposible sin usar enormes cantidades de propelente.
Dicho esto, Elon Musk cree que hay una manera. Y antes de que descartemos sus ideas, veamos cómo los propulsores gemelos del cohete Falcon Heavy aterrizan perfectamente juntos.
Y no prestes atención a lo que le sucedió al refuerzo central.
Un nuevo estudio del Departamento Aeroespacial de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign propone que las misiones a Marte podrían aprovechar la atmósfera más espesa que está más cerca de la superficie de Marte.
En su artículo titulado, "Opciones de trayectoria de entrada para vehículos de alto coeficiente balístico en Marte", los investigadores proponen que las naves espaciales que vuelan a Marte no necesitan tener tanta prisa para deshacerse de su velocidad.
Como la nave espacial está gritando a través de la atmósfera, aún podrá generar una gran cantidad de elevación aerodinámica, que podría usarse para conducirla a través de la atmósfera.
Hicieron los cálculos y descubrieron que el ángulo ideal era apuntar la nave espacial hacia abajo y sumergirse hacia la superficie. Luego, en el último momento posible, tire hacia arriba utilizando el elevador aerodinámico para volar de lado a través de la parte más gruesa de la atmósfera.
Esto aumenta el arrastre y le permite deshacerse de la mayor cantidad de velocidad antes de encender sus motores de descenso y completar su aterrizaje motorizado.
Eso suena, um, divertido.
Si la humanidad va a construir un futuro viable en la superficie de Marte, vamos a necesitar resolver este problema. Vamos a necesitar desarrollar una serie de tecnologías y técnicas que hagan que aterrizar en Marte sea más confiable y seguro.
Sospecho que va a ser mucho más desafiante de lo que la gente espera, pero espero con interés las ideas que se pondrán a prueba en los próximos años.
Muchas gracias a Nancy Atkinson quien cubierto este tema aquí en la revista Space hace más de una década, y me inspiró a trabajar en este video.
