Una persona gana concurso de un desafío científico marciano

ingreso_nave_marte

La cápsula MSL desprendiéndose de peso muerto antes de entrar en la atmósfera marciana para alterar la posición de su centro de masa y poder así generar una fuerza de sustentación. Fuente: NASA/JPL.

El pasado 20 de septiembre, la NASA abrió un concurso público dotado de un premio de 20.000 dólares (el NASA’s Balance Mass Challenge) para involucrar al público en la búsqueda de ideas creativas y prácticas para hacer ciencia o evaluar tecnologías a partir del ‘peso muerto’ del que se desprenden algunas sondas aterrizadoras que viajan a Marte. La NASA recibió 219 propuestas de 43 países; y este 20 de febrero anunció el ganador: Ted Ground, un ciudadano de Tejas.

La razón por la que algunas sondas aterrizadoras que viajan a Marte llevan peso muerto y se desprenden de él durante el vuelo tiene que ver con la gestión que se tiene que hacer de la posición del centro de masa de la cápsula que efectuará la reentrada en la atmósfera de Marte y que alberga al aparato que habrá de posarse sobre la superficie.

El centro de masa de un objeto es el punto en el que, a efectos de cálculo, se puede considerar que está ‘concentrada’ toda su masa, y se define para calcular la respuesta de ese objeto a fuerzas y pares externos.

Durante el vuelo de la Tierra a Marte de una sonda que pretenda depositar algún vehículo o aparato sobre la superficie de este planeta, la cápsula que efectuará la reentrada en la atmósfera de Marte viaja unida a un pequeño módulo de servicio con el que gira a unas dos revoluciones por minuto para propiciar estabilidad en la orientación del conjunto a lo largo de la travesía interplanetaria. Para que estos dos elementos (módulo de servicio y cápsula de entrada) no se desestabilicen, ambos deben tener sus centros de masas localizados en el eje de giro, que también es el eje de simetría de los dos.

ingreso_nave_marte2

La nave Laboratorio Científico para Marte (MSL) durante su tránsito interplanetario hacia Marte. El esquema muestra el punto aproximado donde estaría el centro de masa en el interior de la cápsula en esta configuración.

La nave Laboratorio Científico para Marte (MSL) durante su tránsito interplanetario hacia Marte. El esquema muestra el punto aproximado donde estaría el centro de masa en el interior de la cápsula en esta configuración.

Una vez llegada la nave a las proximidades de la atmósfera marciana, el módulo de servicio se separa de la cápsula para que ésta vuele la reentrada. A partir del momento de la separación, el centro de masa de la cápsula sigue estando localizado en su eje de simetría, pero de afrontar la entrada atmosférica en esta condición, la cápsula acometería lo que se denomina una ‘entrada balística’; esto es, una entrada en la que no se genera sustentación aerodinámica, sólo frenado aerodinámico.

Casi todas las cápsulas que han efectuado una entrada atmosférica en Marte lo han hecho de forma balística (con su centro de masa en el eje de simetría). Esta forma de vuelo aporta simplicidad y abaratamiento al diseño de una misión a Marte, pero lo hace a costa de perder precisión en el aterrizaje ya que una nave que efectúa una entrada balística no tiene capacidad de maniobra para corregir su trayectoria durante el vuelo en caso de que se den condiciones distintas a las que se tuvieron en cuenta cuando se diseñaron la nave y la trayectoria, lo cual ocurre siempre. Si se pretende aumentar significativamente la precisión en un aterrizaje en Marte, el vuelo atmosférico debe ser guiado; esto es, la nave debe contar con la capacidad de maniobra y la lógica que le permita corregir en tiempo real los efectos derivados de la presencia de desviaciones en las condiciones del vuelo.

Para que una entrada atmosférica sea guiada, la cápsula debe poder generar una fuerza de sustentación aerodinámica pues es la gestión de la orientación de esta fuerza mediante giros realizados por los pequeños propulsores de orientación de la nave lo que propicia el control sobre las distancias recorridas transversal y longitudinalmente que, en última instancia, resultará en llegar con mayor o menor precisión al punto de aterrizaje deseado.

La creación de sustentación se consigue de forma muy simple desplazando el centro de masa de la cápsula unos pocos centímetros fuera de su eje de simetría. Este desplazamiento hace que, en presencia del flujo aerodinámico que la nave experimentará dentro de la atmósfera, se genere un par que resulta en que la cápsula vuele de forma pasiva con un cierto ángulo de ataque (ángulo entre el vector velocidad y el eje de simetría) lo que, a su vez, conlleva la generación de una fuerza de sustentación. Y es aquí donde está la clave de esta iniciativa de la NASA ya que el desplazamiento del centro de masa de la nave para separarlo de su eje de simetría se consigue precisamente mediante la eyección de lastre.

La cápsula MSL desprendiéndose de peso muerto antes de entrar en la atmósfera marciana para alterar la posición de su centro de masa y poder así generar una fuerza de sustentación. Fuente: NASA/JPL.

Una vez que la fase de entrada atmosférica está prácticamente completada, pero antes de desplegar el paracaídas, la cápsula debe ejecutar una maniobra de enderezamiento por la que debe devolver el centro de masa al eje de simetría. Esto se consigue eyectando la misma cantidad de peso muerto que en el caso anterior pero por un lateral contrario, con lo que el centro de masa pasa a reposicionarse en el lugar en el que estaba originalmente antes de iniciarse la reentrada. Con esta operación se persigue que el ángulo de ataque vuelva a ser cero (o un valor muy pequeño), lo que es necesario para que se evite la generación de pares de excesiva magnitud que podrían alterar la estabilidad de la cápsula durante la posterior, y violenta, apertura del paracaídas.

Por ejemplo, el Laboratorio Científico para Marte (MSL, Mars Science Laboratory), que en agosto de 2012 se convirtió en la primera misión que voló una entrada atmosférica guiada en Marte (y, de hecho, la primera en otro mundo), se desprendió de 150 kg antes de entrar en la atmósfera marciana y de otros 150 kg antes de desplegar su paracaídas. La intención de la iniciativa de la NASA fue la de involucrar al público para encontrar una utilidad imaginativa e interesante a una carga que, hasta ahora, simplemente había sido desechada sin más.

La idea de Ted Ground que le ha valido ganar este concurso, consiste en un concepto para estudiar la atmósfera marciana mediante la inyección en su atmósfera de distintos elementos (como bario, litio o trimetilaluminio) durante la reentrada mientras otras sondas en órbita alrededor de Marte o sobre su superficie observan los efectos que estos elementos producen en la atmósfera. Los elementos a ser expulsados irían alojados en pequeños contenedores que harían las veces de peso muerto en las cápsulas.

En realidad, se trata de llevar a cabo en Marte un proceso de estudio atmosférico que se lleva usando mucho tiempo en la Tierra mediante el empleo de cohetes sonda, que expulsan estos elementos a gran altitud (típicamente entre 80 y 400 km) para estudiar la circulación atmosférica de partículas cargadas y neutras a gran altitud, un estudio que se realiza a través del análisis óptico de las trazas visibles que se producen por la reacción de estos elementos con distintos componentes de la atmósfera.

Como nota curiosa, dependiendo de los elementos que sean usados, de la altitud y de las condiciones luminosas, la reacción de estos elementos con distintos componentes de la atmósfera produce vistosos patrones de diversas coloraciones en el cielo: blanquecinas, rojas, verdes o azules; y que a buen seguro han podido ser confundidos alguna vez con otro tipo de fenómenos.

experimento_atmosfera

Efectos producidos por la expulsión de ciertos elementos a la atmósfera para su estudio. Fuentes de izquierda a derecha: Manbharat Dhadly, y NASA/John Grant.

FUENTE: http://www.elmundo.es/blogs/elmundo/apuntesnasa/2015/02/25/un-ciudadano-gana-un-desafio-marciano.html

 

Anuncios

Deja tu comentario

Por favor, inicia sesión con uno de estos métodos para publicar tu comentario:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s