Uno de los aspectos más desafiantes de la exploración espacial y el diseño de naves espaciales es la planificación del reingreso. Incluso en el caso de planetas con poca atmósfera como Marte, se sabe que entrar en la atmósfera de un planeta causa mucho calor y fricción. Por esta razón, las naves espaciales siempre han sido equipadas con escudos térmicos para absorber esta energía y garantizar que la nave espacial no se estrelle ni se queme durante el reingreso.
Desafortunadamente, las naves espaciales actuales deben confiar en enormes escudos inflables o desplegados mecánicamente, que a menudo son pesados y complicados de usar. Para abordar esto, un estudiante de doctorado de la Universidad de Manchester ha desarrollado un prototipo para un escudo térmico que dependería de las fuerzas centrífugas para endurecer materiales flexibles y livianos. Este prototipo, que es el primero de su tipo, podría reducir el costo de los viajes espaciales y facilitar futuras misiones a Marte.
El concepto fue propuesto por Rui Wu, un estudiante de doctorado de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y Civil de Manchester (MACE). Se le unieron Peter C.E. Roberts y Carl Driver, profesor de ingeniería de naves espaciales y profesor de MACE, respectivamente, y Constantinos Soutis del Instituto de Investigación Aeroespacial de la Universidad de Manchester.
En pocas palabras, los planetas con atmósferas permiten a las naves espaciales utilizar la resistencia aerodinámica para reducir la velocidad en preparación para el aterrizaje. Este proceso crea una tremenda cantidad de calor. En el caso de la atmósfera de la Tierra, se generan temperaturas de 10,000 ° C (18,000 ° F) y el aire alrededor de la nave espacial puede convertirse en plasma. Por esta razón, las naves espaciales requieren un escudo térmico montado en la parte delantera que pueda tolerar el calor extremo y tenga una forma aerodinámica.
Cuando se despliega en Marte, las circunstancias son algo diferentes, pero el desafío sigue siendo el mismo. Si bien la atmósfera marciana es inferior al 1% de la de la Tierra, con una presión superficial promedio de 0.636 kPa en comparación con los 101.325 kPa de la Tierra, las naves espaciales aún requieren escudos térmicos para evitar quemaduras y transportar cargas pesadas. El diseño de Wu resuelve potencialmente estos dos problemas.
El diseño del prototipo, que consiste en un escudo en forma de falda diseñado para girar, busca crear un escudo térmico que pueda acomodar las necesidades de las misiones espaciales actuales y futuras. Como explicó Wu:
"Las naves espaciales para futuras misiones deben ser más grandes y pesadas que nunca antes, lo que significa que los escudos térmicos serán cada vez más grandes para manejar ... Las naves espaciales para futuras misiones deben ser más grandes y pesadas que nunca antes, lo que significa que los escudos térmicos serán cada vez más grandes para manejar . "
Wu y sus colegas describieron su concepto en un estudio reciente que apareció en la revista.Arca Astronautica (titulado "Escudos térmicos flexibles desplegados por fuerza centrífuga"). El diseño consta de un material avanzado y flexible que tiene una alta tolerancia a la temperatura y permite un fácil plegado y almacenamiento a bordo de una nave espacial. El material se vuelve rígido a medida que el escudo aplica fuerza centrífuga, que se logra al girar al entrar.
Hasta ahora, Wu y su equipo han realizado una prueba de caída con el prototipo desde una altitud de 100 m (328 pies) usando un globo (cuyo video se publica a continuación). También realizaron un análisis dinámico estructural que confirmó que el escudo térmico es capaz de participar automáticamente en una velocidad de giro suficiente (6 revoluciones por segundo) cuando se despliega desde altitudes superiores a 30 km (18,64 millas), lo que coincide con la estratosfera de la Tierra.
El equipo también realizó un análisis térmico que indicó que el escudo térmico podría reducir las temperaturas de la parte delantera en 100 K (100 ° C; 212 ° F) en un vehículo del tamaño de CubeSat sin la necesidad de aislamiento térmico alrededor del escudo (a diferencia de las estructuras inflables ) El diseño también se autorregula, lo que significa que no depende de maquinaria adicional, lo que reduce aún más el peso de una nave espacial.
Y a diferencia de los diseños convencionales, su prototipo es escalable para su uso a bordo de naves espaciales más pequeñas como CubeSats. Al estar equipado con dicho escudo, los CubeSats podrían recuperarse después de que vuelvan a entrar en la atmósfera de la Tierra, volviéndose efectivamente reutilizables. Todo esto está en consonancia con los esfuerzos actuales para que la exploración espacial y la investigación sean rentables, en parte mediante el desarrollo de piezas reutilizables y recuperables. Como explicó Wu:
“Cada vez se realizan más investigaciones en el espacio, pero esto suele ser muy costoso y el equipo tiene que compartir un viaje con otros vehículos. Dado que este prototipo es liviano y lo suficientemente flexible para su uso en satélites más pequeños, la investigación podría hacerse más fácil y más barata. El escudo térmico también ayudaría a ahorrar costos en las misiones de recuperación, ya que su alta resistencia inducida reduce la cantidad de combustible quemado al volver a entrar ".
Cuando llegue el momento de desplegar naves espaciales más pesadas en Marte, lo que probablemente involucrará misiones tripuladas, es completamente posible que los escudos térmicos que aseguran que lleguen a la superficie de forma segura estén compuestos de materiales ligeros y flexibles que giran para volverse rígidos. Mientras tanto, este diseño podría permitir sistemas de entrada livianos y compactos para naves espaciales más pequeñas, haciendo que la investigación de CubeSat sea mucho más asequible.
Tal es la naturaleza de la exploración espacial moderna, que consiste en reducir costos y hacer que el espacio sea más accesible. Y asegúrese de ver este video de la prueba de caída del equipo también, cortesía de Rui Wui y el equipo MACE:
