En 2005, El Grupo de Trabajo de Operaciones Espaciales Futuras (FISOWG) se estableció con la ayuda de la NASA para evaluar cómo se podrían utilizar los avances en las tecnologías de vuelos espaciales para facilitar las misiones de regreso a la Luna y más allá. En 2006, el Grupo de Trabajo de FISO también estableció la Serie FISO Telecon para llevar a cabo actividades de divulgación al público y educarlo sobre temas relacionados con la tecnología de vuelos espaciales, Ingenieria, y la ciencia.

Cada semana, la Serie Telecon organiza un seminario donde los expertos pueden compartir las últimas noticias y desarrollos de sus respectivos campos. El miércoles, 19 de abril en un seminario titulado "Una planta de energía de combustión de metales que respira aire para la exploración in situ de Venus", El ingeniero de la NASA Michael Paul presentó una idea novedosa en la que la tecnología existente podría usarse para realizar misiones de mayor duración a Venus.

Para recapitular la historia de la exploración de Venus, muy pocas sondas han podido explorar su atmósfera o superficie durante mucho tiempo. No es sorprendente, considerando que la presión atmosférica en Venus es 92 veces mayor que aquí en la Tierra al nivel del mar. Sin mencionar el hecho de que Venus es también el planeta más caliente del sistema solar, con temperaturas superficiales promedio de 737 K (462 ° C; 863,6 ° F).

De ahí por qué esas pocas sondas que realmente exploraron la atmósfera y la superficie en detalle, como las sondas y módulos de aterrizaje Venera de la era soviética y la sonda múltiple Pioneer Venus de la NASA, solo pudieron devolver datos durante unas horas. Todas las demás misiones a Venus han tomado la forma de orbitadores o consistieron en naves espaciales que realizaron sobrevuelos mientras se dirigían a otros destinos.

Habiendo trabajado en los campos de la exploración espacial y la ingeniería aeroespacial durante 20 años, Michael Paul está bien versado en los desafíos de montar misiones a otros planetas. Durante su tiempo en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hopkins (JHUAPL), contribuyó a las misiones Contour y Stereo de la NASA, y también fue fundamental en el lanzamiento y las primeras operaciones de la misión MESSENGER a Mercury.

Sin embargo, Fue un estudio emblemático en 2008, realizado en colaboración entre JHUAPL y el laboratorio de propulsión a chorro (JPL) de la NASA, que le abrió los ojos a la necesidad de misiones que aprovecharan el proceso conocido como Utilización de recursos in situ (ISRU). Como afirmó durante el seminario:

"Ese año, de hecho, estudiamos una misión muy grande a Europa que se convirtió en la misión actual Europa Clipper. Y también estudiamos una misión insignia a Saturno, a Titán específicamente. El estudio de la misión del sistema Titán-Saturno fue una verdadera revelación para mí en términos de lo que se podía hacer y por qué deberíamos estar haciendo una exploración mucho más aventurera y más agresiva de in situ en ciertos lugares ".

La misión insignia a Titán fue objeto del trabajo de Paul desde que se unió al Laboratorio de Investigación Aplicada de Penn Sate en 2009. Durante su tiempo allí, se convirtió en miembro del Programa de Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA por su co-creación del Titan Submarine. Para esta misión, que explorará los lagos de metano de Titán, Paul ayudó a desarrollar sistemas de energía submarina que proporcionarían energía a los módulos de aterrizaje planetarios que no pueden ver el Sol.

Habiendo regresado a JHUAPL, donde ahora es el líder de formulación de misiones espaciales, Paul continúa trabajando en conceptos in situ que podrían permitir misiones a ubicaciones en el sistema solar que presentan un desafío. Exploración in situ, donde se confía en los recursos locales para diversos fines, presenta numerosas ventajas sobre conceptos más tradicionales, no es el menor de los cuales es la rentabilidad.

Considere la misión que se basa en los generadores termoeléctricos de radioisótopos de múltiples misiones (MMRTG), donde se utilizan elementos radiactivos como el plutonio-238 para generar electricidad. Mientras que este tipo de sistema de energía, que fue utilizado por los módulos de aterrizaje Viking 1 y 2 (enviados a Marte en 1979) y el rover Curiosity más reciente, proporciona una densidad de energía incomparable, el costo de tales misiones es prohibitivo.

Y lo que es más, Las misiones in situ también podrían funcionar en lugares donde las células solares convencionales no funcionarían. Estos incluyen no solo ubicaciones en el sistema solar exterior (es decir, Europa, Titán y Encelado), sino también lugares más cercanos a casa. La cuenca del Polo Sur-Aitken, por ejemplo, es un lugar permanentemente sombreado en la Luna que la NASA y otras agencias espaciales están interesadas en explorar (y tal vez colonizar) debido a la abundancia de hielo de agua allí.

Pero también está la superficie de Venus, donde la luz solar es escasa debido a la densa atmósfera del planeta. Como explicó Paul en el transcurso del seminario:

"¿Qué se puede hacer con otros sistemas de energía en lugares donde el sol simplemente no brilla? así que quieres llegar a la superficie de Venus y durar más de un par de horas. Y creo que en los últimos 10 o 15 años, todas las misiones que [se propusieron] a la superficie de Venus tenían prácticamente una línea de tiempo de dos horas. Y esos fueron todos propuestos, ninguna de esas misiones se realizó en realidad. Y eso está en línea con las 2 horas que sobrevivieron los aterrizadores rusos cuando llegaron allí, a la superficie de Venus ".

La solución a este problema, como lo ve Pablo, es emplear un sistema de energía y potencia de productos químicos almacenados (SCEPS), también conocido como motor Sterling. Esta tecnología probada se basa en energía química almacenada para generar electricidad, y se usa típicamente en sistemas subacuáticos. Pero reutilizado para Venus, podría proporcionar una misión de aterrizaje con una cantidad considerable de tiempo (en comparación con las misiones anteriores de Venus) para realizar estudios de superficie.

Para el sistema de energía que Paul y sus colegas están imaginando, el motor Sterling tomaría litio de metal sólido (o posiblemente yodo sólido), y luego licuarlo con una carga pirotécnica. Este líquido resultante luego se alimentaría a otra cámara donde se combinaría con un oxidante. Esto produciría calor y combustión, que luego se usaría para hervir agua, girar turbinas, y generar electricidad.

Un sistema de este tipo suele estar cerrado y no produce gases de escape. lo que lo hace muy útil para sistemas subacuáticos que no pueden comprometer su flotabilidad. En Venus tal sistema permitiría la producción eléctrica sin baterías de corta duración, una costosa celda de combustible nuclear, y podría funcionar en un entorno de baja energía solar.

Un beneficio adicional para una nave de este tipo que opera en Venus es que el oxidante se proporcionaría localmente, eliminando así la necesidad de un componente pesado. Simplemente dejando entrar CO2 del exterior, que la atmósfera de Venus tiene en abundancia, y combinándolo con el litio licuado (o yodo) del sistema, el sistema SCEPS podría proporcionar energía sostenida durante varios días.

Con la ayuda de Innovative Advanced Concepts (NIAC) de la NASA y la financiación del programa Hot Operating Temperature Technology (HOTTech), supervisado por la División de Ciencias Planetarias de la NASA, Paul y sus colegas pudieron probar su concepto, y descubrió que era capaz de producir un calor sostenido que era tanto controlable como sintonizable.

Recibió más ayuda del laboratorio COMPASS del Glenn Research Center, Fueron ingenieros de múltiples disciplinas que realizan análisis de sistemas integrados de vehículos. De todo esto Se desarrolló un concepto de misión conocido como Advanced Lithium Venus Explorer (ALIVE). Con la ayuda de Steven Oleson, el jefe del laboratorio COMPASS de GRC, Paul y su equipo imaginan una misión en la que un módulo de aterrizaje llegaría a la superficie de Venus y lo estudiaría durante 5 a 10 días.

Todo dicho, esa es una ventana operativa de entre 120 y 240 horas; en otras palabras, 60 a 120 veces más que misiones anteriores. Sin embargo, queda por ver cuánto costaría una misión de este tipo. Según Paul, esa pregunta se convirtió en la base de un debate en curso entre él y Oleson, quienes no estuvieron de acuerdo sobre si sería parte del Programa Descubrimiento o del Programa Nuevas Fronteras.

Como explicó Paul, las misiones pertenecientes al primero se limitaron recientemente al nivel de $ 450 a $ 500 millones, mientras que las segundas tienen un límite de $ 850 millones. "Creo que si hiciste esto bien, podría incluirlo en una misión de descubrimiento, ", dijo." Aquí en APL, He visto ideas realmente complicadas encajar dentro de un límite de costos de Discovery. Y creo que la forma en que diseñamos esta misión, podría hacer esto para una misión Discovery. Y sería realmente emocionante lograrlo ".

Desde un punto de vista puramente tecnológico, esta no es una idea nueva. Pero en términos de exploración espacial, nunca se ha hecho antes. Otorgado, Todavía hay muchas pruebas que deberían realizarse antes de que se pueda planificar una misión a Venus. En particular, están los subproductos creados por la combustión de litio y CO2 en condiciones similares a las de Venus, que ya produjo algunos resultados inesperados durante las pruebas.

Además, existe el problema del gas nitrógeno (N2), también presente en la atmósfera de Venus, que se acumula en el sistema, que necesitaría ser ventilado para evitar un reventón. Pero las ventajas de tal sistema son evidentes, and Paul and his colleagues are eager to take additional steps to develop it. Este verano, they will be doing another test of a lithium SCEPS under the watchful eye of NAIC.

By this time next year, they hope to have completed their analysis and their design for the system, and begin building one which they hope to test in a controlled temperature environment. This will be the first step in what Paul hopes will be a three-year period of testing and development.

"The first year we're basically going to do a lot of number crunching to make sure we got it right, " he said. "The second year we're going to built it, and test it at higher temperatures than room temperature – but not the high temperatures of Venus! And in the third year, we're going to do the high temperature test."

Por último, the concept could be made to function in any number of high and low temperature conditions, allowing for cost-effective long-duration missions in all kinds of extreme environments. These would include Titan, Europa and Enceladus, but also Venus, la luna, and perhaps the permanently-shadowed regions on Mercury's poles as well.

Space exploration is always a challenge. Whenever ideas come along that make it possible to peak into more environments, and on a budget to boot, it is time to start researching and developing them.