miércoles, 17 de mayo de 2017

Aterrizando en Plutón mediante un dispositivo de frenado hipersónico

Posted: 04 May 2017 02:55 PM PDT

Puede que no sea un planeta, pero la sonda New Horizons demostró en 2015 que Plutón es un mundo impresionante. Montañas de hielo de agua flotando en glaciares de nitrógeno, cambios climáticos recientes y una atmósfera con múltiples capas de neblina flotando. Una futura misión que quiera estudiar este cuerpo celeste en profundidad sin duda intentará posarse en la superficie. ¿Pero cómo aterrizar en este planeta enano? Una sonda que quiera llegar a Plutón en un tiempo razonable tendrá que llegar a una velocidad muy alta —la New Horizons pasó a unos 14 km/s—, así que para entrar en órbita se requieren enormes cantidades de propelentes químicos o el uso de sistemas de propulsión muy eficientes (de alto impulso específico). Pese a estas dificultades existen unas cuantas propuestas de orbitadores a Plutón, pero llegar a la superficie sigue siendo un desafío todavía mayor.


Propuesta de sonda a Plutón de aterrizaje (arriba) y orbitador (abajo) con un ballute (Angus McRonald).
Una forma de abordar el problema es, paradójicamente, no aterrizar, sino limitarse a impactar directamente contra el planeta. De esta forma no se obtendrían datos de la superficie, pero sí de la atmósfera. Esta es la estrategia que se propuso para la misión de la NASA Pluto Fast Flyby de 1994, que debía incorporar una sonda rusa de 6 kg denominada Spuskaemi Zond (‘sonda de descenso’ en ruso). Eso sí, está claro que lo realmente interesante es orbitar alrededor de Plutón y, si es posible, llegar a la superficie. Y, en este sentido, una opción mucho más atrevida es usar la atmósfera de Plutón para frenar la sonda.
Plutón con Sputnik Planitia en primer plano (NASA/JHUAPL/SwRI).
Hablar de atmósfera en Plutón puede sonar extraño, ya que más bien estamos ante un cometa gigante que ante un mundo con atmósfera como la Tierra o incluso Marte. La atmósfera de nitrógeno de Plutón apenas alcanza diez microbares de presión en la superficie. Para que nos hagamos una idea de lo ridícula que es esta cantidad (una cienmilésima de la presión en la Tierra), la atmósfera de Plutón podría ser considerada un vacío casi perfecto en la mayor parte de situaciones prácticas. Y, sin embargo, en el año 2000 Angus McRonald, del JPL de la NASA, sugirió precisamente emplear dispositivos de frenado para poner sondas en órbita de Plutón e incluso aterrizar.


La atmósfera de Plutón vista por la New Horizons tras pasar por Plutón. Una perspectiva imposible desde la Tierra (NASA/JHUAPL/SwRI).

Para ello la sonda iría equipada con un ballute, que es un dispositivo de frenado mezcla de paracaídas y frenado (de ahí su nombre). Los ballutes han formado parte de muchos proyectos pasados para misiones a Marte, incluyendo misiones tripuladas, por ofrecer buenas prestaciones en atmósferas poco densas. McRonald comprobó que usando ballutes era posible que una sonda que llegase a Plutón a 15 km/s redujese su velocidad de aterrizaje a tan solo 360 km/h. Cierto es que 360 km/h es una velocidad a todas luces excesiva, pero entra dentro del rango de energías de impacto a las que pueden sobrevivir algunas sondas capaces de chocar contra la superficie (penetradores). Si además añadimos algún sistema de frenado adicional (como un propulsor de combustible sólido o airbags), la velocidad final podría disminuir todavía más.


Trayectorias de entrada en Plutón para un aterrizaje con ballute (Angus McRonald).
La sonda experimentaría una deceleración de unos 20 g en su paso por la atmósfera plutoniana, una cifra mortal para un ser humano, pero perfectamente aceptable para una máquina. La temperatura alcanzaría entre 300 y 500 ºC, dependiendo de las características de la sonda y las proporciones del ballute. Naturalmente, la pega de este sistema es que la masa asociada con el sistema de inflado y despliegue del ballute habría que restarla a la carga útil, de ahí que sería necesario desarrollar las tecnologías necesarias para garantizar que su masa fuese lo más pequeña posible.

Temperatura de la sonda en función del tiempo (Angus McRonald).


Otro diseño de ballute con forma de disco más eficiente (pero más complejo de desplegar)(Angus McRonald).

Hay que tener en cuenta que para obtener estos parámetros McRonald usó un modelo de atmósfera de Plutón creado por científicos rusos que predecía una presión superficial de tan solo 3 microbares (hace quince años se pensaba que la atmósfera de Plutón estaba a punto de congelarse sobre la superficie, de ahí la urgencia de lanzar una misión cuanto antes). Puesto que la atmósfera es en realidad casi tres veces más densa de lo previsto una sonda con ballute podría ser todavía más eficiente.
Francamente no creo que llegue a ver una sonda que use la casi inexistente atmósfera de Plutón para aterrizar, pero si hablamos de nuestros descendientes… quién sabe.


Las capas de neblinas de la atmósfera sobre Plutón (NASA/JHUAPL/SwRI).

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