Uno de los mayores retos que enfrentamos en una misión tripulada a Marte radica en cómo hacer descender naves de gran tonelaje a la superficie de ese planeta.
Una solución podría consistir en utilizar la retropropulsión supersónica al final de la entrada atmosférica en Marte y, en ese concepto, el magnesio podría jugar un importante papel.
La tecnología a día de hoy solo nos permite aterrizar en naves de entre 1 y 1,5 toneladas.
El explorador robótico Curiosity, de casi una tonelada, es el vehículo de mayor masa que ha sido aterrizado en el planeta rojo hasta la fecha.
Sin embargo, para enviar seres humanos a Marte, debemos ser capaces de poder amartizar una nave de decenas de toneladas: entre 40 y 50.
Aca podemos ver como aterrizo Curiosity en Marte
Cuando una nave llega a Marte con el objetivo de aterrizar, realiza su entrada en la atmósfera a velocidades de unos cuantos kilómetros por segundo, una velocidad que tiene que ser reducida a casi cero en el momento de posarse sobre la superficie.
Sin embargo, la atmósfera marciana es muy tenue -unas cien veces menos densa que la terrestre- y no consigue frenar una nave de reentrada lo suficiente si esta es lo suficientemente masiva.
Al final de la reentrada, la nave llega a una velocidad más allá de la cual prácticamente no puede ser frenada aerodinámicamente.
Dependiendo de las características de la nave y debido a la poca densidad atmosférica, esta velocidad, llamada terminal, es aún supersónica.
Dado que se prefiere que la última fase del descenso propulsado para lograr un aterrizaje suave se inicie a velocidades subsónicas, se precisa de una fase intermedia que propicie el frenado adicional hasta esas velocidades.
Hasta ahora, esta fase intermedia ha consistido en el despliegue de paracaídas, y en la actualidad se investigan y prueban paracaídas de mayores dimensiones y sistemas de desaceleración hinchables que aumenten la superficie de frenado para poder así aterrizar naves de mayor masa.
Sin embargo, estos métodos solo serán capaces de aumentar la masa a aterrizar a unas tres toneladas.
Esto constituye una enorme y muy bienvenida mejora para posibilitar misiones robóticas de prestaciones bastante mayores, pero está muy lejos de la capacidad requerida para enviar seres humanos a Marte a menos que las dimensiones de estos desaceleradores hinchables sean extremadamente grandes, lo cual presenta otra suerte de desafíos técnicos de enorme complejidad que bien pueden hacerlos inviables.
Cuando la masa a aterrizar en Marte es tan elevada como la que se precisa en una misión humana, una de las opciones que cada vez cobra mayor consideración es la de iniciar una retropropulsión a velocidades supersónicas que frene a la nave a partir de un punto al final de la fase de reentrada atmosférica hasta posarla sobre la superficie.
Esta opción se está investigando en la actualidad y no está exenta de desafíos técnicos ya que la interacción entre el flujo emitido por los retrocohetes y el flujo atmosférico supersónico que encuentra presenta problemas de estabilidad y control que deben comprenderse muy bien antes de que esta maniobra propulsora pueda utilizarse en Marte.
Si bien la retropropulsión supersónica que vuelan las primeras etapas de los cohetes Falcon 9 de SpaceX para su recuperación en tierra está suponiendo un aporte a la experiencia en el encendido de grandes motores cohete contra un flujo atmosférico a alta presión dinámica, los efectos con una atmósfera como la de Marte deben ser aún investigados y entendidos antes de llevar a la práctica esta maniobra.
De perseguirse la opción de la retropropulsión supersónica, uno de los aspectos asociados a investigar será el de reducir la cantidad de combustible y oxidante que requiere su ejecución.
Este es un aspecto de gran relevancia ya que, por ejemplo, el uso de este tipo de maniobra para amartizar una carga útil de 40 toneladas precisa que la nave de reentrada porte consigo hasta 12 toneladas de propergol, del cual casi un 80% sería oxidante.
Toda optimización que implique un recorte de masa sin mermar la eficacia es siempre bienvenida en una misión espacial, especialmente en una misión a Marte ya que resulta muy costoso lanzar y transportar cualquier cosa desde la Tierra hasta ese planeta.
En este sentido, hay un aspecto que resulta interesante considerar en relación a la retropropulsión supersónica en Marte, y es que la atmósfera de ese planeta está formada por dióxido de carbono (CO2) en un 95%, y el CO2 resulta poseer buenas propiedades oxidantes cuando el combustible es un metal.
Si este CO2 pudiera ser extraído de la atmósfera marciana mientras la nave desciende a su superficie, podría ser utilizado como oxidante en una reacción con un metal como el magnesio para producir la retropropulsión supersónica necesaria para aterrizar grandes masas en Marte.
Así lo han propuesto recientemente especialistas del Instituto Tecnológico de Georgia y del Centro Langley de la NASA, que han presentado este concepto en un artículo publicado en la Revista de Propulsión y Potencia del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica.
En principio, metales como el berilio, el aluminio, el magnesio, o el silicio, entre otros, podrían ser combustibles para un agente oxidante como el CO2.
Berilio
De ellos, el berilio es el metal con el que se podría obtener el mayor impulso específico; sin embargo, el berilio plantea algunos problemas como el de la toxicidad de sus compuestos o el del reducido margen que acepta en los ratios de mezcla oxidante-combustible.
El siguiente metal que ofrece mejores prestaciones y que a día de hoy resulta ser más prometedor para su combustión con CO2 es el magnesio: su reacción con CO2 posee un alto impulso específico para un amplio rango de ratios de mezcla y el magnesio es de fácil inflamabilidad en presencia de este gas.
Magnesio cristalizado
La idea de usar magnesio como combustible en una reacción con el CO2 de la atmósfera marciana ha sido propuesta desde finales de los 80 para poder volar aviones en Marte, por ejemplo, y se ha planteado para algunas otras opciones de exploración.
De hecho, la empresa Wickman Spacecraft & Propulsion Co. demostró experimentalmente la viabilidad de motores cohete y turbojets usando CO2 y magnesio a finales de los 90 con la idea de su uso en Marte.
Ahora, esta idea se plantea para su uso en una retropropulsión supersónica en ese planeta, una maniobra que cada vez parece ser más necesaria para posibilitar el amartizaje de naves de gran tonelaje.
Dependiendo de varios factores, de cobrar fuerza, esta propuesta podría suponer un bienvenido ahorro de varias toneladas para la nave de descenso en misiones tripuladas pero también para misiones robóticas de mayor tonelaje.
En cualquier caso, la idea aún requiere ser investigada con mayor profundidad.
El aterrizaje de grandes masas en Marte sigue siendo un problema de enorme complejidad técnica que aún no está resuelto, pero ideas como esta van sumándose para que algún día el camino pueda quedar despejado para una posible misión tripulada al planeta rojo.
Una solución podría consistir en utilizar la retropropulsión supersónica al final de la entrada atmosférica en Marte y, en ese concepto, el magnesio podría jugar un importante papel.
La tecnología a día de hoy solo nos permite aterrizar en naves de entre 1 y 1,5 toneladas.
El explorador robótico Curiosity, de casi una tonelada, es el vehículo de mayor masa que ha sido aterrizado en el planeta rojo hasta la fecha.
Sin embargo, para enviar seres humanos a Marte, debemos ser capaces de poder amartizar una nave de decenas de toneladas: entre 40 y 50.
Aca podemos ver como aterrizo Curiosity en Marte
Cuando una nave llega a Marte con el objetivo de aterrizar, realiza su entrada en la atmósfera a velocidades de unos cuantos kilómetros por segundo, una velocidad que tiene que ser reducida a casi cero en el momento de posarse sobre la superficie.
Sin embargo, la atmósfera marciana es muy tenue -unas cien veces menos densa que la terrestre- y no consigue frenar una nave de reentrada lo suficiente si esta es lo suficientemente masiva.
Al final de la reentrada, la nave llega a una velocidad más allá de la cual prácticamente no puede ser frenada aerodinámicamente.
Dependiendo de las características de la nave y debido a la poca densidad atmosférica, esta velocidad, llamada terminal, es aún supersónica.
Dado que se prefiere que la última fase del descenso propulsado para lograr un aterrizaje suave se inicie a velocidades subsónicas, se precisa de una fase intermedia que propicie el frenado adicional hasta esas velocidades.
Hasta ahora, esta fase intermedia ha consistido en el despliegue de paracaídas, y en la actualidad se investigan y prueban paracaídas de mayores dimensiones y sistemas de desaceleración hinchables que aumenten la superficie de frenado para poder así aterrizar naves de mayor masa.
Sin embargo, estos métodos solo serán capaces de aumentar la masa a aterrizar a unas tres toneladas.
Esto constituye una enorme y muy bienvenida mejora para posibilitar misiones robóticas de prestaciones bastante mayores, pero está muy lejos de la capacidad requerida para enviar seres humanos a Marte a menos que las dimensiones de estos desaceleradores hinchables sean extremadamente grandes, lo cual presenta otra suerte de desafíos técnicos de enorme complejidad que bien pueden hacerlos inviables.
Cuando la masa a aterrizar en Marte es tan elevada como la que se precisa en una misión humana, una de las opciones que cada vez cobra mayor consideración es la de iniciar una retropropulsión a velocidades supersónicas que frene a la nave a partir de un punto al final de la fase de reentrada atmosférica hasta posarla sobre la superficie.
Esta opción se está investigando en la actualidad y no está exenta de desafíos técnicos ya que la interacción entre el flujo emitido por los retrocohetes y el flujo atmosférico supersónico que encuentra presenta problemas de estabilidad y control que deben comprenderse muy bien antes de que esta maniobra propulsora pueda utilizarse en Marte.
Si bien la retropropulsión supersónica que vuelan las primeras etapas de los cohetes Falcon 9 de SpaceX para su recuperación en tierra está suponiendo un aporte a la experiencia en el encendido de grandes motores cohete contra un flujo atmosférico a alta presión dinámica, los efectos con una atmósfera como la de Marte deben ser aún investigados y entendidos antes de llevar a la práctica esta maniobra.
De perseguirse la opción de la retropropulsión supersónica, uno de los aspectos asociados a investigar será el de reducir la cantidad de combustible y oxidante que requiere su ejecución.
Este es un aspecto de gran relevancia ya que, por ejemplo, el uso de este tipo de maniobra para amartizar una carga útil de 40 toneladas precisa que la nave de reentrada porte consigo hasta 12 toneladas de propergol, del cual casi un 80% sería oxidante.
Toda optimización que implique un recorte de masa sin mermar la eficacia es siempre bienvenida en una misión espacial, especialmente en una misión a Marte ya que resulta muy costoso lanzar y transportar cualquier cosa desde la Tierra hasta ese planeta.
En este sentido, hay un aspecto que resulta interesante considerar en relación a la retropropulsión supersónica en Marte, y es que la atmósfera de ese planeta está formada por dióxido de carbono (CO2) en un 95%, y el CO2 resulta poseer buenas propiedades oxidantes cuando el combustible es un metal.
Si este CO2 pudiera ser extraído de la atmósfera marciana mientras la nave desciende a su superficie, podría ser utilizado como oxidante en una reacción con un metal como el magnesio para producir la retropropulsión supersónica necesaria para aterrizar grandes masas en Marte.
Así lo han propuesto recientemente especialistas del Instituto Tecnológico de Georgia y del Centro Langley de la NASA, que han presentado este concepto en un artículo publicado en la Revista de Propulsión y Potencia del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica.
En principio, metales como el berilio, el aluminio, el magnesio, o el silicio, entre otros, podrían ser combustibles para un agente oxidante como el CO2.
Berilio
De ellos, el berilio es el metal con el que se podría obtener el mayor impulso específico; sin embargo, el berilio plantea algunos problemas como el de la toxicidad de sus compuestos o el del reducido margen que acepta en los ratios de mezcla oxidante-combustible.
El siguiente metal que ofrece mejores prestaciones y que a día de hoy resulta ser más prometedor para su combustión con CO2 es el magnesio: su reacción con CO2 posee un alto impulso específico para un amplio rango de ratios de mezcla y el magnesio es de fácil inflamabilidad en presencia de este gas.
Magnesio cristalizado
La idea de usar magnesio como combustible en una reacción con el CO2 de la atmósfera marciana ha sido propuesta desde finales de los 80 para poder volar aviones en Marte, por ejemplo, y se ha planteado para algunas otras opciones de exploración.
De hecho, la empresa Wickman Spacecraft & Propulsion Co. demostró experimentalmente la viabilidad de motores cohete y turbojets usando CO2 y magnesio a finales de los 90 con la idea de su uso en Marte.
Ahora, esta idea se plantea para su uso en una retropropulsión supersónica en ese planeta, una maniobra que cada vez parece ser más necesaria para posibilitar el amartizaje de naves de gran tonelaje.
Dependiendo de varios factores, de cobrar fuerza, esta propuesta podría suponer un bienvenido ahorro de varias toneladas para la nave de descenso en misiones tripuladas pero también para misiones robóticas de mayor tonelaje.
En cualquier caso, la idea aún requiere ser investigada con mayor profundidad.
El aterrizaje de grandes masas en Marte sigue siendo un problema de enorme complejidad técnica que aún no está resuelto, pero ideas como esta van sumándose para que algún día el camino pueda quedar despejado para una posible misión tripulada al planeta rojo.
