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Algunos partidarios de enviar misiones humanas a Marte, manifiestan la opinión de que, actualmente disponemos de la tecnología necesaria para enviar seres humanos al Planeta Rojo.

Pero ¿realmente es así?, Rob Manning del Jet Propulsion Laboratory expone los intrincados problemas de la entrada, descenso y aterrizaje y los requisitos necesarios para que la presencia de seres humanos en Marte sea una realidad.

No existen estadísticas fiables acerca de las misiones a Marte. Hasta la fecha, el 60% de las misiones a este planeta han fracasado. Los científicos e ingenieros de estas misiones emplean frases como «seis minutos de terror», y «la gran exploración macabra», para ilustrar sus experiencias, poniendo de manifiesto la ansiedad asociada tras el envío de sondas espaciales robotizadas a Marte, incluso entre aquellos que están dedicados plenamente a esa tarea. Pero la sola mención de enviar seres humanos al Planeta Rojo con cargas varias veces mayores que la de una nave espacial sin tripulación, produce nerviosismo y escalofríos entre ese mismo grupo, ¿por qué? Por la sencilla razón de que nadie sabe cómo hacerlo.

¿Sorprendidos?, sí, para la mayoría, afirma Rob Manning, ingeniero jefe de la división para la Exploración de Marte y actualmente, la única persona que ha dirigido los equipos que han conseguido depositar con éxito tres vehículos robóticos en la superficie marciana.
«Manning ha manifestado: «La mayoría de la gente no comprende el problema, y muy pocos se han preocupado de los detalles de cómo trasladar con garantías de éxito, equipos pesados a la superficie marciana».

Mucha gente piensa que enviar humanos a la superficie de Marte debe ser tarea fácil, después de todo, ya han aterrizado satisfactoriamente en la Luna y además hemos logrado con éxito, hacer descender en la Tierra, vehículos procedentes del espacio con seres humanos en su interior, y puesto que, el tamaño del planeta Marte se sitúa entre los de la Luna y la Tierra, lo mismo que su atmósfera, entonces, ¿tal aspiración debería ser fácil?. Por lo que Manning añade: «Existe la convicción de que podemos ser capaces de conectar ambos planetas».

Pero por ahora, existe un gran abismo entre ambos planetas.
«Conocemos cuales son los problemas, me gusta echar la culpa al dios de la guerra (Marte) bromea Manning. Este planeta no se muestra muy amistoso para el aterrizaje».

El verdadero problema radica en la combinación de la atmósfera de Marte con el tamaño necesario de la nave espacial, para las misiones tripuladas. Hasta ahora, nuestras naves robóticas han sido lo suficientemente pequeñas para poder alcanzar con éxito su superficie, pero dado que la nave lunar Apolo pesó aproximadamente unas 10 toneladas, una misión a Marte requerirá un peso de tres a seis veces mayor, y dadas las restricciones que nos impone la permanencia de un año en el planeta, intentar situar una carga tan pesada en Marte es, actualmente imposible con las capacidades actualmente disponibles. Existe demasiada atmósfera en Marte para intentar hacer aterrizar vehículos pesados tal como lo hacemos en la Luna valiéndonos únicamente de tecnología de propulsión., y por el contrario, es demasiado poca, para aterrizar del modo con que lo hacemos en la Tierra, o sea, que nos encontramos en una intermedia y fea, zona gris.

Pero, ¿qué hay acerca de los bolsas de aire junto con paracaídas que se han utilizado con éxito en las anteriores misiones robóticas al planeta Marte, o las de un vehículo similar a la lanzadera espacial?

Ninguna de esas técnicas serían efectivas, ni solas ni combinadas, para hacer aterrizar cargas de una tonelada o más en el planeta Marte. Este problema no solo afecta a las misiones tripuladas al Planta Rojo, sino también a misiones más largas como el retorno de muestras. «Desafortunadamente, aquí es donde nos encontramos» ha añadido Manning. «Hasta que demos con algún truco nuevo o algún otro sistema, el envío de seres humanos a Marte, es un asunto feo que nos pone los pelos de punta».

Trazando el camino.

En el 2004, la NASA organizó unas reuniones para exponer las recursos actuales disponibles y los futuros problemas que se presentan para el envío de seres humanos al planta Marte. Manning, copresidió estas reuniones junto con los astronautas Harrison Schmitt y Claude Graves (ya fallecido) del Apolo 17, en el Johnson Space Center. Unas 50 personas pertenecientes a la NASA, a universidades e industrias, asistieron a la reunión. «En esos momentos, la capacidad para explicar tales problemas de un modo coherente no era muy buena, puesto que los procesos de reentrada, descenso y aterrizaje, constituyen actualmente disciplinas que son estudiados por grupos diferentes.

Realmente, muy pocas personas comprendían verdaderamente el problema, especialmente a gran escala, que era donde verdaderamente estaba. En estas sesiones pudimos ponerlos todos sobre la mesa, y debatir sobre ellos.»

La conclusión principal a la que se llegó en la reunión fue la de que, nadie había logrado resolver aún como conseguir con éxito que, grandes masas a altas velocidades lograran situarse en órbitas bajas sobre el planeta Marte. «Lo denominamos, el problema de la transición supersónica» añadió Manning «exclusivo de Marte, pues existen lagunas entre velocidades y alturas, por debajo de mach 5. Estas lagunas se presentan por la incapacidad de poder de enviar grandes equipos a Marte y la carencia de tecnologías de decelaración tanto super como subsónicas para lograr posteriormente velocidades inferiores a la del sonido.

Hablando claramente, con nuestras capacidades actuales, un vehículo grande y pesado deslizándose a través de la fina capa de la atmósfera marciana, dispone de tan solo 90 segundos para disminuir su velocidad desde match 5 a menos de match 1, modificar la dinámica de nave espacial a vehículo de aterrizaje y reorientarse por si misma, desplegar paracaídas para disminuir su velocidad, utilizar sus retrocohetes para desplazarse hasta el lugar de aterrizaje y finalmente tocar suelo suavemente.
Sin bolsas de aire.

Se exppuso públicamente por vez primera, la solución de emplear bolsas de aire puesto que ya habían resultado satisfactorias para las misiones en las que se habían utilizado, como en los vehículos Pathfinder, los Sojouner y los dos vehículos de exploración marcianos (MER) Spirit and Opportunity.

Pero los ingenieros manifestaron que ya se había alcanzado la máxima capacidad de las mismas con los MER, . “No se trata de la masa o el volumen de las bolsas de aire, o su tamaño, sino del contenido de las mismas”. Resulta ser tan grande que tenemos que realizar un diseño especial”, manifestó Manning.

Además, hacer aterrizar una bolsa de aire implica someter a la carga, de fuerzas comprendidas entre 10 a 20 G. Aunque el sistema mecánico puede resistir dichas fuerzas, los seres humanos no. Esto no quiere decir que no vayamos a emplear nunca las bolsas de aire, sino que tales bolsas no pueden utilizarse para vehículos pesados o con seres humanos.

Incluso el vehículo Mars Science Laboratory (MSL) del 2009, cuyo peso será de 775 kilos (el MER es de 175,4 kg), precisa de de una estructura completamente nueva para el aterrizaje. Resulta demasiado pesado para las bolsas de aire, por lo que este vehículo del tamaño de un coche pequeño, empleará un sistema de aterrizaje apodado Sky Crane ( grúa celeste). “Aunque la gente se ría cuando lo vea por vez primera, mi opinión personal es que, el Sky Crane representa actualmente el sistema más simple y elegante que hemos conseguido”, ha manifestado Manning. El MSL empleará una combinación de un cohete dirigido para la entrada, un apantallamiento contra el calor, un paracaídas, un sistema de retrocohetes para el frenado, seguido de un sistema de grúa con cables para trasladar el vehículo y depositarlo suavemente sobre sus ruedas en el suelo. Dependiendo del éxito del Sky Crane con el MSL, puede que este sistema se pueda emplear para cargas más grandes, pero aún resulta insuficiente para el aterrizaje de seres humanos en Marte.

Los problemas de la atmósfera, del paracaídas y las tensiones.

“Una de las grandes cosas que poseemos en la Tierra, es la atmósfera”, afirma Manning. Para regresar a la Tierra y entrar en la atmósfera a velocidades entre 7 a 10 km/segundo, la lanzadera espacial, las cápsulas Aplo y Soyuz y el propuesto Crew Exploration Vehicle (CEV) pudieron decelerar a menos de match 1, hasta unos 20 km por encima de la superficie, deslizándose a través de nuestra maravillosamente gruesa atmósfera valiéndose eso si, de un apantallamiento contra el calor. Para obtener menores velocidades necesarias para poder aterrizar, se precisaría desplegar un paracaídas, o en el caso de la lanzadera espacial, frenar por fricción hasta obtener la reducción deseada.

Pero la atmósfera de Marte tan solo es un 1 % de la densidad de la Tierra. En términos comparativos, la atmósfera marciana viene a ser equivalente a la que posee la Tierra a una altura de 35 km sobre la superficie. El aire está tan enrarecido que un vehículo pesado como el CEV caería en vertical como si fuera de plomo, no existe suficiente resistencia del aire como para frenar suficientemente su velocidad. Los paracaídas únicamente se pueden abrir a velocidades inferiores a match 2 y una nave espacial pesada en Marte, nunca alcanzaría esa velocidad con tan solo una pantalla de calor como freno, es decir, jamás podrías aterrizar en Marte con CEV a menos que quisieras hacer un cráter en su superficie, ha manifestado Manning.

Esto no representa una buena noticia para la exploración espacial. ¿Podría un vehículo como la lanzadera espacial, entrando desde más altura resolver este problema, ¿ bien, en Marte, cuando se parte de una altura mayor y cuando existen mayores pesos, con el fin de lograr mejores deceleraciones y desde una elevación adecuada, se necesitarías penetrar en la atmósfera a un nivel bastante bajo.

Se tendría que ir muy próximo a match 2 o 3 para aterrizar. Si se poseyera de un buen sistema de control se podría disponer del tiempo suficiente en la deceleración para prologar la permanencia en el aire, se podría finalmente disminuir hasta match 2 para abrir el paracaídas, pero también se estaría demasiado cerca de la superficie e incluso un paracaídas supersónico ultragrande no lo solucionaría.

Los expertos en paracaídas supersónicos han concluido que, para disminuir la velocidad lo suficiente en un vehículo semejante a la lanzadera espacial de gran tamaño, en Marte, y para que aterrizara a una velocidad adecuada, se requeriría un paracaídas de cien metros de diámetro. Creemos que no hay modo de construir un paracaídas de 100 metros que pueda abrirse con seguridad a velocidades supersónicas, eso sin tener presente el tiempo que precisaría inflar una cosa tan grande. Estarías en el suelo antes de haberse inflado. No sería una buena idea.

Pantallas de calor e impulsores.

La atmósfera de Marte no nos es útil. Manning ha explicado que, con naves espaciales robóticas, el 99 % de la energía cinética de un vehículo en reentrada atmosférica se disipa mediante apantallamiento termico. “Resulta inconcebible que podamos diseñar pantallas térmicas más grandes y más ligeras, pero el problema es que actualmente, el diámetro de esta pantalla térmica para una nave espacial con seres humanos rebasa cualquier posibilidad de que dicho vehículo pueda ser lanzado desde la Tierra”. Y agregó “que sería casi mejor, que Marte careciera totalmente de atmósfera, como la Luna”.

Si ese fuera el caso, una lanzadera lunar tipo Apolo con impulsores se podría emplear, “pero se nos presentaría otro problema, por cada kilo de materia en órbita, se necesitaría dos veces más combustible para llegar a la superficie de Marte que a la Luna. Todo resulta el doble de peor, puesto que Marte es unas dos veces mayor que la Luna.” Esto exigiría una enorme cantidad de combustible, quizás unas seis veces la masa de la carga, para poder trasladar seres humanos a su superficie que además debería ser llevada conjuntamente desde la Tierra. Incluso con un Marte ficticio sin atmósfera, tampoco sería la solución.

Pero empleando la tecnología de los impulsores actuales en el Marte real, la atmósfera del planeta nos plantea problemas aerodinámicos. “el morro de los cohetes sería claramente inestable y los sistemas dinámicos se volverían caóticos, básicamente, volando a velocidades supersónicas, el morro del cohete se comportaría como una ojiva, una ojiva que oscilaría delante de ti frente a una alta presión dinámica. Incluso admitiendo que la densidad de su atmosférica es muy baja, al ser la velocidad tan alta, las fuerzas son realmente enormes”.

Manning equipara estas fuerzas a las de un huracán de fuerza cinco. Esto podría ocasionar tensiones extremas con vibraciones y distorsiones que destruirían el vehículo. Por lo tanto la tecnología de propulsión por si sola no sería la solución.

Empleando impulsores en combinación con pantallas térmicas y paracaídas también presenta desafíos. Suponiendo que el vehículo se vale de alguna técnica para descender a match 1, mediante un sistema de retrocohetes en sus últimas etapas podría ajustar gradualmente la trayectoria del vehículo, y podría conseguir llegar con bastante exactitud al lugar de aterrizaje. “Estamos buscando retrocohetes que actuen a menos de 1 km de la superficie. Los paracaídas han sido descartados y te encuentras quizás a 5 km al sur de donde deseas aterrizar, necesitas por lo tanto de la capacidad para poder dar la vuelta al vehículo y poder alcanzar el lugar deseado, aunque esto representa una opción costosa, energéticamente hablando, pagando un costoso peaje en combustible para lograr el aterrizaje deseado.”

Además, en la Luna en ausencia de atmósfera ni climatología, no hay nada que ofrezca resistencia al vehículo para apartarse del objetivo, como la hazaña de Neil Amstrog en el Apolo 11, que pudo “ pilotar sin incertidumbres”, como lo ha definido Manning, consiguiendo alcanzar el lugar deseado de aterrizaje. En Marte sin embargo, las grandes variaciones en la densidad de su atmósfera, unido a vientos impredecibles y de gran altura, empujarían al vehículo a desviarse de su curso. “Necesitamos disponer de medios para luchar contra esas fuerzas y que nos permitan corregir desvíos mediante sistemas de propulsión adecuados, actualmente carecemos de la capacidad y estamos lejos de poder hacerlo”.

Desaceleradores supersónicos

La mejor esperanza para la empresa humana de llegar al planeta Marte radica en un nuevo tipo de desaceleradores supersónicos que solamente existen en la mesa de dibujo. Varias compañías están desarrollando un nuevo desacelerador supersónico hinchable denominado Hipercono.

Imaginaros un enorme anillo esponjoso rodeando el vehículo y que se infla muy rápidamente con gas para adoptar una forma cónica. Se podría inflar a unos 10 km sobre la superficie mientras el vehículo se desplaza a match 4 o 5 después de alcanzar un máximo en su calentamiento. El Hipercono podría actuar como ancla aerodinámica para frenar el vehículo hasta match 1.

Glen Brown, Ingeniero Jefe de Vertigo, Inc. en Lake Elsinore, California, también era un participante en las reuniones para trazar el camino a Marte. Brown manifestó que Vertigo ha estado realizando pruebas intensivas con el Hipercono, incluyendo estimaciones de masa y tamaño para vehículos de entre 4 a 60 toneladas. “ Una estructura hinchable para alta presión en forma toroidal es una forma lógica de mantener una membrana en forma cónica, la cual sería estable y con una alta fricción para valores altos de match, además de que la estructura podría construirse de tejido recubierto, tales como telas cuya matriz fuese de silicona-vectran. Vertigo está compitiendo actualmente conseguir financiación de la NASA para investigaciones adicionales, tales como el desarrollo de un túnel de viento supersónico que resulta bastante costoso.

Dicha estructura necesitaría tener de treinta a cuarenta metros de diámetro, el problema aquí radicaría en que estructuras de ese tamaño serían difíciles de controlar. En este momento existen también varias otras técnicas en desarrollo que utilizan un Hipercono.

Una línea de investigación consiste en que si el Hipercono se puede emplear para valores inferiores a match 1, se podrían en este caso emplear paracaídas subsónicos, como los utilizados por el Apolo o los proyectados para ser usados por el CEV para aterrizar en la Tierra. Sin embargo, se precisa de un cierto tiempo para inflar los paracaídas y consecuentemente, su uso sería cuestión de segundos, precisando disponer además del tiempo suficiente para deshacerse de los paracaídas antes de cambiar a sistemas de propulsión.

“También se necesitarían recurrir a los propulsores, puesto que se esta cayendo 10 veces más rápido debido a que la densidad de la atmósfera marciana es 100 veces menor que la de la Tierra. Esto quiere decir que no puedes aterrizar exclusivamente con el solo uso de los paracaídas, te romperías no solo los huesos sino también el hardware. Por lo tanto, se precisaría de la transición del paracaídas a un sistema de patas similar al del Apolo, antes de tocar el suelo.

Manning cree que quienes como él están inmersos en estas cuestiones, ven los distintos problemas enfrentados entre si. “Resulta duro tener estas cuestiones en la mente porque todas ellas están interconectadas de modos muy complejos”. “Resulta muy duro ver la solución correcta con el único ojo de tu mente”.

Los temas adicionales de concebir nuevas formas y estructuras ligeras pero resistentes y con la capacidad de soltarse y transformarse de una etapa a otra en el momento justo, significa desarrollar artilugios de encendido rápido como el de Rube Goldberg (N del T, dispositivos complejos que realizan tareas simples, véase: http://www.rube-goldberg.com/).

“El verdadero aspecto de la cuestión es que no disponemos de una forma canónica ni de sistemas de configuración estándar que nos permitan aterrizar del modo adecuado equilibrando fuerzas, cargas, personas y además que nos permita realizar todas las transformaciones necesarias que se precisen en el tiempo mínimo que precisamos para aterrizar”.

Otras opciones

Otra alternativa debatida en las sesiones fue la del elevador espacial.
“Marte, realmente está pidiendo un elevador espacial, creo que representa un gran potencial que podría resolver una gran cantidad de problemas y Marte representaría una excelente plataforma para ensayarlo”. Pero Manning reconoce que la tecnología necesaria para construir un elevador espacial aún no se ha inventado. El desarrollo de la tecnología necesaria para construir un elevador espacial puede ser enorme, incluso comparable a los retos del aterrizaje.

«La NASA todavía carece de recursos para solucionar al mismo tiempo todos estos problemas, los del CEV, terminar la Estación Espacial Internacional y proceder al desarrollo del sistema de aterrizaje lunar. Pera también sabe que todas estas cuestiones tendrán que resolverse en un futuro cercano. Estoy tratando de dar a conocer estos problemas para que los jóvenes estudiantes de ingeniería aeronáutica, y especialmente los graduados comiencen a trabajar en ellos como propios. No tengo ninguna duda de que con su ayuda podamos tratar de comprender como hacer posibles los sistemas de aterrizaje en Marte a escala humana”, ha manifestado Manning.

Entre tanto, existe un gran interés en la NASA y en el sector espacial de intentar abordar estas cuestiones en los próximos años, la tecnología también necesita de algunos años más para materializar nuestros sueños de enviar seres humanos al planeta Marte.

Y esta historia, como todas las buenas historias de ingeniería, se podrá leer inevitablemente como una buena novela de detectives con alternancias, intrigas científicas y grandes aventuras en otros mundos.

Original en inglés escrito por Nancy Atkinson en http://www.universetoday.com/…payloads-to-the-surface-of-the-red-planet/

Fuente: Space Exploration, Mars