El 26 de noviembre El módulo de aterrizaje InSight de la NASA completará su viaje de seis meses y medio a Marte, aterrizando en Elysium Planitia, una amplia llanura cerca del ecuador marciano que alberga la segunda región volcánica más grande del planeta.

Allí, Los científicos de la NASA esperan "darle al Planeta Rojo su primer chequeo completo desde que se formó hace 4.500 millones de años, "según el sitio web de la misión InSight. Misiones anteriores han examinado características en la superficie, pero muchas firmas de la formación del planeta, que pueden proporcionar pistas sobre cómo se formaron todos los planetas terrestres, solo se pueden encontrar detectando y estudiando sus "signos vitales" muy por debajo de la superficie.

Para comprobar esos signos vitales, InSight vendrá equipado con dos paquetes de instrumentos principales:un sismómetro para estudiar cómo las ondas sísmicas (por ejemplo, de marsquakes e impactos de meteoritos) viajan a través del planeta y un "topo" que excavará en el suelo, arrastrando una correa con sensores de temperatura detrás para medir cómo cambian las temperaturas con la profundidad en el planeta. Estos instrumentos informarán a los científicos sobre la estructura interior de Marte (similar a la forma en que un ultrasonido permite a los médicos "ver" el interior de un cuerpo humano) y también sobre el flujo de calor desde el interior del planeta.

Los ingenieros esperan que el topo alcance una profundidad de entre tres y cinco metros, lo suficientemente abajo como para estar aislado de las fluctuaciones de temperatura del día y la noche y del ciclo anual de Marte en la superficie de arriba. Los medidores pueden no parecer mucho, pero excavar tan lejos usando solo equipos que se pueden lanzar en una nave espacial y controlar desde 55 millones de millas de distancia es un desafío técnico que nunca antes se había intentado.

Usando un peso deslizante dentro de su cuerpo estrecho, el topo, que mide 15,75 pulgadas (400 milímetros) de largo y pesa solo 1,9 libras (860 gramos), se clava en el suelo, 1 mm a la vez, mientras arrastra una correa que está tachonada con 14 sensores de temperatura a lo largo de su longitud. Un taladro tradicional que intente realizar la misma tarea tendría que ser tan largo como el agujero que intentaba perforar, y necesitaría una estructura de soporte masiva. Si martilleara continuamente, el lunar tardaría entre unas horas y unos días en alcanzar su profundidad final, dependiendo de las características del suelo. Sin embargo, el topo se detendrá cada 50 centímetros para medir la conductividad térmica del suelo, un proceso que requiere periodos de enfriamiento y calentamiento que duran varios días. Con el tiempo adicional necesario para evaluar el progreso y enviar nuevos comandos, el lunar podría tardar seis semanas o más en alcanzar su profundidad final.

Al diseñar la sonda, ingenieros en JPL, que Caltech gestiona para la NASA, Quería estar seguro de que el lunar sería capaz de alcanzar la profundidad necesaria, y por eso llamaron a José Andrade de Caltech, George W. Housner Profesor de Ingeniería Civil y Mecánica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y experto en física de materiales granulares.

"Hace unos cinco años, cuando el lunar seguía atascado durante la prueba, el equipo de InSight reunió lo que se llama un 'equipo tigre':un grupo de especialistas de diferentes áreas que se incorporan para ayudar a resolver un problema, "Dice Andrade." Me llamaron para servir en este equipo de tigres como experto en mecánica del suelo ".

Debido a que el suelo es un material granular, un conglomerado de partículas sólidas que son cada una más grande que un micrómetro, exhibe propiedades algo inusuales. Por ejemplo, el suelo compuesto de partículas redondas fluirá fácilmente a medida que las partículas se deslizan unas sobre otras, como arena en un reloj de arena. Pero el suelo compuesto por partículas del mismo tamaño pero con formas más irregulares y angulares se bloqueará como piezas de rompecabezas y no puede fluir sin una fuerza exterior significativa.

Los materiales granulares pueden describirse como objetos singulares que se deformarán en función de su plasticidad de estado crítico, un modelo idealizado de cómo los grupos de granos se abrirán paso entre sí a medida que se les aplica tensión. Esa plasticidad está gobernada por la presión del aire y la fuerza de la gravedad. Como tal, es difícil simular en un laboratorio la plasticidad en estado crítico de un material granular en Marte, que tiene un tercio de la gravedad y el 0,6 por ciento de la presión del aire de la Tierra al nivel del mar.

"Seguimos intentando extrapolar cómo se traduciría la plasticidad del estado crítico a Marte, "Dice Andrade." Sin saber eso, no pudimos modelar de manera efectiva cuánta resistencia enfrentaría el topo de InSight al intentar perforar el suelo de Marte, y si podría alcanzar la profundidad deseada. Entonces, esto provocó una clara necesidad de mayor comprensión ".

Para ayudar a investigar la penetración del lunar en un material granular, Andrade y el equipo de InSight contrataron al investigador postdoctoral Ivan Vlahinic, que había completado recientemente un doctorado en la Universidad Northwestern. Vlahinic estableció pruebas en las que se monitorearon y analizaron matemáticamente las primeras maquetas del topo mientras se abrían camino a través de una columna de vidrio llena de arena.

Andrade, Vlahinic, y sus colegas encontraron que la menor presión de sobrecarga de Marte, en comparación con la Tierra, en realidad, dificultará que el topo penetre en el suelo de Marte. La presión de sobrecarga es la presión sobre una capa de roca o arena ejercida por el material apilado sobre ella. A cualquier profundidad dada, la presión de sobrecarga en Marte es un tercio de la de la Tierra, correspondiente a la gravedad más baja del planeta rojo. Para la misma fracción de empaque, la cantidad de espacio que llena el material, la baja presión permite que los materiales granulares existan en un estado más suelto que en realidad aumenta el número de contactos individuales que cada grano tiene con sus vecinos, y esto aumenta la resistencia general del material a la penetración.

La investigación de Vlahinic finalmente fue asumida por Jason Marshall, quien obtuvo un doctorado de la Universidad Carnegie Mellon en 2014 y trabajó como investigador postdoctoral en Caltech de 2015 a 2018.

"No solo estudiamos la penetración, sino también cómo se mueve el calor a través del suelo, Marshall dice. Una de las cosas que InSight busca comprender es cómo cambia la temperatura del planeta con la profundidad. Lo que encontramos es que mientras deformamos la arena, las partículas obviamente se están reorganizando, y eso afectará las mediciones de conductividad térmica ". A medida que los materiales granulares se deforman, la cantidad de espacio entre los granos individuales cambia, ajustando la cantidad de espacio a través del cual el calor irradiará o conducirá a través de la delgada atmósfera del planeta. También aumenta el número de contactos de grano a grano a medida que el suelo se aprieta más.

Con este conocimiento, Andrade pudo desarrollar nuevos modelos de computadora que ayudaron al equipo del JPL a predecir la efectividad del topo en suelo marciano. A menos que el topo se encuentre con un obstáculo, confía en que tendrá éxito.

"Las pruebas muestran que esta cosa puede llegar a una profundidad mucho mayor de dos metros. Un factor decisivo podría ser una gran formación de roca que bloquea el camino del topo, pero el equipo de selección del lugar de aterrizaje de InSight ha elegido una ubicación en Marte que sea lo más libre de rocas posible, ", dice. Además, armado con la información de Marshall sobre el efecto del reordenamiento de partículas en la conductividad térmica, InSight debe estar en una buena posición para no solo alcanzar la profundidad deseada, pero también enviar información precisa sobre la temperatura a esa profundidad, Andrade dice.

Por ahora, Andrade y sus ex postdoctorados solo pueden mirar y esperar. "Hemos hecho todo lo que pudimos aquí en la Tierra. Ahora le toca a InSight, " él dice.