Los ingenieros de la NASA luchan por construir un mejor escudo térmico.

Una imagen de Helen Hwang jessica chou

Durante meses, las muestras siguieron derritiéndose. Esto no fue exactamente sorprendente — el panal de fibra de vidrio lleno de corcho estaba siendo sometido a una ráfaga de calor cuatro veces más intensa que la que soportó el borde de ataque del transbordador espacial al volver a entrar en la atmósfera de la Tierra. Era como poner el horno más caliente del mundo en medio de su túnel de viento más potente.

Los mismos materiales ya habían protegido a todos los módulos de aterrizaje de Marte anteriores de Estados Unidos del calor de golpear la atmósfera marciana a casi 16 000 kilómetros (10 000 millas) por hora. Pero eso ya no iba a ser lo suficientemente bueno. El escudo del Laboratorio de Ciencias de Marte (MSL) tendría que soportar unos 250 vatios de energía por centímetro cuadrado. — unas 10 veces el calor experimentado por el Viking, el primer módulo de aterrizaje de Estados Unidos en Marte, que aterrizó en el planeta en 1976. Eso se debe a que el MSL, cuyo lanzamiento está previsto para agosto de 2009, sería tres veces más pesado que el Viking. El rover Curiosity que llevaría MSL era unas cinco veces más pesado que los rover Spirit y Opportunity, que habían aterrizado de manera segura en Marte en 2004. El tamaño y el peso de MSL no eran problemas insolubles en sí mismos. Pero las simulaciones por computadora mostraron que el enorme peso de la sonda daría lugar a fuertes turbulencias, lo que llevaría a condiciones más severas que las que hubiera soportado cualquier escudo térmico de entrada anterior a Marte. Y cuando giraban el material del escudo térmico de lado al flujo de aire caliente que se aproximaba para simular la turbulencia, las celdas de panal reventaban, lo que provocaba una reacción en cadena de fallas. La prueba se parecía a todo lo que habíamos visto antes, recuerda Helen Hwang, investigadora del Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, quien estaba a cargo del sistema de protección térmica de MSL en ese momento.

Esta historia fue parte de nuestra edición de julio de 2019

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A raíz de esos fracasos, el equipo de Hwang enfrentó una grave crisis de tiempo. Era 2007 y el lanzamiento estaba programado para menos de dos años. Desde su punto de vista, había dos opciones: rediseñar la misión para tratar de reducir las condiciones de calentamiento o idear un nuevo material de protección contra el calor. La primera opción limitaría dónde podría aterrizar el rover y los instrumentos científicos que podría llevar. La segunda opción significaba que tendrían que diseñar, desarrollar, probar y construir un nuevo escudo térmico en menos de 18 meses. Esa opción era arriesgada, pero permitiría que la misión hiciera toda la ciencia que debía hacer.

Eligieron la segunda opción.

A medida que las ambiciones humanas crezcan en el espacio, nuestro ingenio tendrá que estar a la altura. Para explorar las densas atmósferas de planetas como Venus o Saturno, necesitamos escudos térmicos ultrarresistentes que puedan soportar presiones intensas. Para enviar muestras marcianas a la Tierra, necesitamos escudos térmicos indestructibles que impidan que cualquier forma de vida extraterrestre contamine nuestro planeta, o viceversa. Aterrizar humanos en otros planetas requerirá aerocascos de gran tamaño, las cápsulas de entrada protegidas por escudos térmicos, con diámetros de casi 20 metros (66 pies) de ancho, o más. Nunca antes se había volado a Marte nada parecido a esa escala.

Los desafíos de desarrollar estas tecnologías serán inmensos, pero también lo serán las recompensas si llevan robots y humanos de manera segura a nuevas fronteras. Sin avances de vanguardia en aerocarcasas y escudos térmicos, tales misiones no tendrán sentido, simplemente se quemarán en la atmósfera.

Si vas al espacio, hay dos razones para reducir la velocidad: regresar a la Tierra o detenerte en otro cuerpo celeste. Una forma de reducir la velocidad es usar el mismo método que usó para acelerar: cohetes. Pero esto significa llevar más combustible para cohetes, lo que añade peso. Como cuestión práctica, tiene sentido utilizar la atmósfera, si la hay. Pero sobrevivir al calor resultante requiere materiales inteligentes y naves espaciales con formas ingeniosas.

Las formas 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. Harry Julian Harvey Allen, quien dirigió la División de Investigación de Alta Velocidad de Ames a principios de la década de 1950, ideó el llamado cuerpo romo, que tendría un lado plano y ancho para soportar la peor parte del calor. Allen y un colega trabajaron en la teoría durante el próximo año. Se dieron cuenta de que un cuerpo romo crearía una fuerte onda de choque frente a él, que desviaría gran parte del calor del vehículo. Luego armaron la segunda pieza del rompecabezas: la ablación. Esto significa usar materiales que están diseñados para descomponerse y erosionarse al entrar, creando una capa carbonizada que efectivamente aleja el calor del vehículo.

El concepto de cuerpo romo se recibió inicialmente con escepticismo y permaneció clasificado hasta 1957. Pero en mayo de 1961, cuando Alan Shepard se convirtió en el primer estadounidense en visitar el espacio, su cápsula Friendship 7 usó una cara cónica roma para regresar a la Tierra de manera segura.

Debido al programa Apollo, los nuevos materiales ablativos fueron un área de investigación muy activa en la década de 1960. Para Apollo, la NASA recurrió a una empresa llamada Avco, que se especializaba en materiales para ojivas de misiles de largo alcance. Una capa de 2,7 pulgadas 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 reingreso de Apolo.

HEEET está diseñado para entrar en entornos extremos, como los de Saturno o Neptuno. jessica chou

Para las misiones Viking, que lanzarían los primeros módulos de aterrizaje exitosos en Marte en la década de 1970, la NASA utilizó un nuevo material llamado SLA-561V. Al igual que Avcoat, SLA (ablator superligero) se basa en una estructura de panal llena de gotas de resina ablativa. Pero los ingenieros de Martin Marietta, la empresa que ideó 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. Los transbordadores estaban destinados a ser reutilizables, y eso también se aplicaba a los escudos térmicos. En lugar de una sustancia como SLA, los transbordadores estaban protegidos con carbono-carbono reforzado en la tapa de la nariz y los bordes de ataque de las alas, y con baldosas de cerámica en el vientre.

Hwang, que creció en un pequeño pueblo de Iowa, recuerda haber manipulado una loseta del transbordador espacial en una presentación escolar. La experiencia sembró el deseo de algún día trabajar en tecnologías de protección térmica. Después de obtener su doctorado en física de plasma en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, tomó un trabajo en el Centro de Investigación Ames, pero uno que no tenía nada que ver con los escudos térmicos. Durante varios años, trabajó en el uso de plasmas para grabar circuitos en microchips. Cuando los fondos se agotaron, cambió a escudos térmicos y se dio cuenta de su ambición de la infancia.

Cuando a Hwang se le asignó la tarea de crear un escudo térmico para el proyecto MSL en 2006, inicialmente recurrió a SLA. Pero quedó claro bastante rápido que SLA no iba a funcionar. Nunca pudimos aislar realmente qué estaba causando la falla, dice Hwang, pero la falla era repetible; probamos en muchas instalaciones diferentes y vimos la misma falla en diferentes condiciones.

Sin embargo, no había muchas otras opciones. La única opción viable era algo llamado ablador de carbono impregnado con fenólico (PICA), que se había desarrollado en Ames en la década de 1990 para la misión Stardust, la primera en devolver muestras de un cometa y el reingreso atmosférico más rápido de la historia. Stardust había usado una pieza continua de PICA, pero MSL era demasiado grande para que ese enfoque fuera práctico. En su lugar, tuvieron que crear mosaicos del material y diseñaron la sonda de Marte para que se cubriera con ellos, haciéndolo de una manera que no permitiera que las líneas de gas fluyeran a lo largo de las costuras potencialmente vulnerables entre los mosaicos. Fue el primer escudo térmico ablativo en mosaico y el aeroshell más grande jamás volado. (SpaceX ahora está utilizando la misma solución para su cápsula Dragon. La NASA prestó a Dan Rasky, uno de los diseñadores de PICA en Ames, a SpaceX para ayudar a diseñar el material del escudo térmico del Dragón, conocido como PICA-X).

Quiero explorar nuestro sistema solar. Solo hemos estado en un puñado de destinos. Quiero ir a todos ellos.

A medida que se acercaba la fecha límite de lanzamiento de MSL, Hwang y su equipo analizaron muestras de PICA en el Arc Jet Complex en Ames, mejorando su comprensión del material y los rellenos de brechas con cada nueva prueba. Perfeccionaron su escudo a tiempo para el lanzamiento de 2009, solo para ver que la misión se retrasó hasta 2011 para asegurarse de que otros sistemas estuvieran listos. El MSL finalmente aterrizó en Marte en agosto de 2012. Curiosity todavía está activo en Marte y ha tenido tanto éxito que la NASA ahora está desarrollando otra misión, el rover Mars 2020, basado en 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 espacial cuando descienda a Marte a principios de 2021.

jessica chou

Una de las tareas más importantes del rover Mars 2020 será la recopilación de muestras que algún día un futuro módulo de aterrizaje puede enviar de regreso a la Tierra. Incluso mientras los científicos aprenden cómo aterrizar la próxima generación de naves espaciales en otros mundos, también están descubriendo cómo traer tentadores entornos alienígenas de regreso a la Tierra.

Si los humanos quieren aterrizar en Marte, requerirán escudos térmicos de al menos cuatro veces el diámetro del MSL. Es por eso que la NASA ahora está desarrollando conceptos para aerocarcasas expandibles que pueden colocarse 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 en Virginia. En la mañana del 23 de julio de 2012, un cohete sonoro despegó de la instalación de vuelo Wallops de la NASA, al otro lado de la bahía de Chesapeake desde Langley, en la costa este de Virginia. El cohete llevaba una capa aerodinámica desplegable conocida como decelerador 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 una vez en el espacio se desplegó a tres metros. Al ensanchar el escudo, se propaga el calor de la reentrada en un área más grande.

El cohete se elevó 290 millas, muy por encima del límite del espacio, y luego el HIAD se infló a su tamaño máximo. Las cámaras a bordo capturaron una vista del Océano Atlántico mientras la estructura caía a través de la atmósfera. El concepto HIAD se ha desempeñado bien en estas pruebas de vuelo, pero algunas personas aún se resisten a la idea de proteger a los astronautas que viajan a Marte con un aeroshell hinchable. Mucha gente dice: 'Oh, tienes una estructura inflable, se doblará como un juguete de piscina', dice Robert Dillman, ingeniero aeroespacial en Langley y miembro del equipo HIAD. Esta cosa es bastante sólida. Suena cuando lo tocas.

Aeroshells más grandes empujan las ondas de choque más lejos de la nave espacial, brindando más protección contra el calor de entrada. El calor restante es protegido por un sistema de protección térmica flexible que cubre la estructura inflable con telas exteriores duraderas y aislamiento.

El próximo HIAD programado para volar alcanzará la órbita terrestre baja y se expandirá a seis metros. Pero estos conceptos inflables no son los únicos aeroshells expandibles en proceso. Un equipo de Ames está desarrollando un escudo plegable llamado Tecnología de colocación y entrada adaptable y desplegable. Hecho de fibras de carbono flexibles tejidas en 3D, el escudo se abre como un paraguas y se mantiene firme mediante puntales de metal.

Hwang también está involucrado en el desarrollo de algo llamado Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), que podría albergar misiones a Venus, Saturno, Urano y Neptuno. HEEET es mucho más robusto que PICA y SLA-561V y, por lo tanto, más adecuado para atmósferas densas. Tradicionalmente, cada misión ha tenido un escudo térmico único, pero esto encarece las cosas. Hwang espera lograr economías de escala, una especie de Ford Modelo T de reingreso.

Quiero explorar nuestro sistema solar, dice ella. Solo hemos estado en un puñado de destinos. Quiero ir a todos ellos.

Becky Ferreira es una reportera científica con sede en Ithaca, Nueva York. Su trabajo ha aparecido en Wired y el New York Times.

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