Antes de que finalice esta década, la NASA planea devolver astronautas a la Luna por primera vez desde la Era Apolo. Pero esta vez, a través del Programa Artemisa, no será un asunto de "huellas y banderas".

Con otras agencias espaciales y socios comerciales, el objetivo a largo plazo es crear la infraestructura que permitirá un "programa sostenido de exploración y desarrollo lunar". Si todo va según lo planeado, múltiples agencias espaciales habrán establecido bases alrededor de la cuenca Aitken del Polo Sur, lo que allanará el camino para las industrias lunares y el turismo.

Para que los humanos vivan, trabajen y realicen diversas actividades en la Luna, se necesitan estrategias para hacer frente a todos los peligros, entre ellos el regolito lunar (o "polvo lunar"). Como aprendieron los astronautas del Apolo, el polvo lunar es irregular, se adhiere a todo y puede causar un desgaste significativo en los trajes, equipos, vehículos y la salud de los astronautas.

En un nuevo estudio realizado por un equipo de ingenieros de Texas A&M, el regolito también representa un peligro de colisión cuando es impulsado por columnas de cohetes. Dadas las numerosas naves espaciales y módulos de aterrizaje que transportarán tripulaciones y carga a la Luna en un futuro próximo, este es un peligro que merece mucha atención.

El estudio fue realizado por Shah Akib Sarwar y Zohaib Hasnain, Ph.D. Estudiante y profesor asistente (respectivamente) en el Departamento de Ingeniería Mecánica J. Mike Walker '66 de la Universidad Texas A&M. Para su estudio, Sarwar y Hasnain investigaron las colisiones entre partículas en el regolito lunar utilizando el método de la "esfera blanda", donde las ecuaciones de movimiento de Newton y un modelo de fuerza de contacto se integran para estudiar cómo chocarán y se superpondrán las partículas.

Esto lo diferencia del método de la "esfera dura", que modela partículas en el contexto de fluidos y sólidos.

Mientras que el regolito lunar abarca desde pequeñas partículas hasta grandes rocas, el componente principal del "polvo lunar" son finos minerales de silicato con un tamaño promedio de 70 micrones. Estos se crearon a lo largo de miles de millones de años cuando la superficie sin aire de la luna fue golpeada por meteoritos y asteroides que convirtieron gran parte de la corteza lunar en un polvo fino.

La ausencia de atmósfera también significó que no hubo erosión causada por el viento y el agua (común aquí en la Tierra). Por último, la exposición constante al viento solar ha dejado al regolito lunar cargado electrostáticamente, lo que significa que se adhiere a todo lo que toca.

Cuando los astronautas del Apolo se aventuraron a la luna, informaron que tenían problemas con el regolito que se adhería a sus trajes y era rastreado hasta sus módulos lunares. Una vez dentro de sus vehículos, se adhería a todo y se convertía en un peligro para la salud, provocando irritación ocular y dificultades respiratorias.

Pero con las misiones Artemis en el horizonte y la infraestructura planificada que implicarán, está la cuestión de cómo las naves espaciales (durante el despegue y el aterrizaje) harán que el regolito se eleve en grandes cantidades y se acelere a altas velocidades.

Como relató Sarwar a Universe Today por correo electrónico, esta es una de las formas clave en que el regolito lunar será un desafío importante para las actividades humanas regulares en la Luna:

"Durante un aterrizaje suave retropropulsor en la luna, las columnas de escape de cohetes supersónicos/hipersónicos pueden expulsar una gran cantidad (108-1015 partículas/m ³ visto en las misiones Apolo) de regolito suelto de la capa superior del suelo."

"Debido a las fuerzas generadas por la columna (arrastre, elevación, etc.), la eyección puede viajar a velocidades muy altas (hasta 2 km/s). El rocío puede dañar la nave espacial y el equipo cercano. También puede bloquear la vista de la nube. zona de aterrizaje, alterar sensores, obstruir elementos mecánicos y degradar superficies ópticas o paneles solares a través de la contaminación."

Los datos adquiridos de las misiones Apolo sirvieron como piedra de toque para Sarwar y Hasnain, que incluían cómo las eyecciones de la columna de escape del Módulo Lunar (LM) del Apolo 12 dañaron la nave espacial Surveyor 3, ubicada a 160 metros (525 pies) de distancia. Este vehículo no tripulado había sido enviado para explorar la región de Mare Cognitum en 1967 y caracterizar el suelo lunar antes de las misiones tripuladas.

El Surveyor 3 también se utilizó como lugar de aterrizaje del Apolo 12 y fue visitado por los astronautas Pete Conrad y Alan Bean en noviembre de 1969.

El daño fue mitigado por el hecho de que el Surveyor 3 estaba ubicado en un cráter debajo del lugar de aterrizaje del Apollo 12 LM. Otro ejemplo es la misión Apolo 15 que aterrizó en la región de Hadley-Apeninos en 1971. Durante el descenso del LM, los astronautas David R. Scott y James B. Irwin no pudieron ver el lugar de aterrizaje porque la columna de escape había creado una espesa nube de regolito. encima.

Esto obligó a la tripulación a seleccionar un nuevo lugar de aterrizaje en el borde de Béla, un cráter alargado al este de la región. El LM no pudo lograr una posición equilibrada en este lugar y se inclinó hacia atrás 11 grados antes de estabilizarse.

Las investigaciones realizadas desde que se llevaron a cabo estas misiones llevaron a la conclusión de que las colisiones entre partículas de regolito probablemente causaron la dispersión. Como indicó Sarwar, estos ejemplos ilustran cómo el regolito perturbado puede convertirse en un peligro, especialmente cuando hay otras naves e instalaciones espaciales ubicadas cerca:

"Los dos ejemplos anteriores de la era Apolo no fueron lo suficientemente severos como para poner en peligro el éxito de la misión. Pero las futuras misiones Artemis (y CLPS) tendrán lugar en el polo sur lunar, donde se supone que el suelo es significativamente más poroso/débil que el ecuatorial. y regiones de aterrizaje del Apolo de latitud media."

"Además, se espera que los módulos de aterrizaje Artemis entreguen cargas útiles mucho mayores que las de Apolo y, por lo tanto, requieran más empuje para reducir la velocidad. Como resultado, pueden producirse cráteres profundos (no vistos en Apolo) debido a las columnas de escape de los cohetes y hacer volar el regolito en ángulos mucho más altos. que los vistos anteriormente (~1-3 grados sobre el suelo)".

De acuerdo con los objetivos a largo plazo del Programa Artemisa, la NASA planea construir infraestructura alrededor de la región polar sur para permitir un "programa sostenido de exploración y desarrollo lunar". Esto incluye el Campamento Base Artemis, que consta de un hábitat en la superficie de los cimientos, una plataforma de movilidad habitable, un vehículo de terreno lunar (LTV) y el Portal Lunar en órbita.

"Como tal, proteger a los humanos, las estructuras o las naves espaciales cercanas de los peligros de las partículas de regolito lunar es de suma importancia", afirmó Sarwar.

Investigaciones similares han demostrado cómo las nubes de regolito causadas por el aterrizaje y el despegue también podrían representar un peligro para el funcionamiento seguro del Lunar Gateway y los orbitadores lunares. Estas amenazas han impulsado una investigación considerable sobre cómo se puede mitigar el polvo lunar durante futuras misiones. Como se señaló, Sarwar y Hasnain utilizaron el método de la esfera blanda para evaluar los riesgos que plantean las colisiones entre partículas:

"En este método, se permite que las partículas adyacentes se superpongan entre sí en una pequeña cantidad, lo que se toma como una medida indirecta de la deformación esperada en una colisión real entre partículas. Este valor de superposición, junto con las propiedades materiales relevantes del regolito lunar, luego se utiliza en una representación deslizante de fricción de resorte para calcular las fuerzas en cada evento de colisión. La inelasticidad involucrada en una colisión varía desde completamente inelástica hasta altamente elástica.

"Nuestros resultados revelan que las colisiones altamente elásticas entre granos de regolito relativamente grandes (~100 micrones) hacen que una porción significativa de ellos se expulsen en ángulos grandes (algunos pueden salir volando a ~90 grados). Sin embargo, el resto de los granos están contenidos en una región de ángulo pequeño (<3 grados) a lo largo del suelo, que está en línea con la capa de regolito visible observada durante las misiones Apolo."

En términos de salvaguardias, Sarwar y Hasnain sugieren que las bermas o vallas alrededor de una zona de aterrizaje son una forma de mitigar las salpicaduras de eyecciones. Sin embargo, como sugiere su investigación, un cierto porcentaje de partículas de regolito pueden dispersarse en grandes ángulos debido a colisiones, lo que hace que las barreras o las vallas sean insuficientes.

"Una mejor solución para futuras misiones Artemis sería construir una plataforma de aterrizaje", dijo Sarwar. "En este sentido, un equipo de múltiples organizaciones con personal tanto del mundo académico (incluido el Dr. Hasnain) como de la industria está trabajando en el desarrollo de la técnica de pulverización de alúmina en vuelo o plataformas de aterrizaje FAST".

El método FAST prevé módulos de aterrizaje lunares equipados con partículas de alúmina que son expulsadas durante las maniobras de aterrizaje. Luego son licuados por las columnas de los motores para crear aluminio fundido en la superficie lunar, que se enfría y solidifica para crear una superficie de aterrizaje estable. La NASA también ha investigado cómo se podrían construir plataformas de aterrizaje utilizando tecnología de sinterización, en la que el regolito se bombardea con microondas para crear cerámica fundida que se endurece al contacto con el espacio.

Otra idea es construir plataformas de aterrizaje con muros antiexplosión para contener el regolito expulsado, que la empresa constructora ICON, con sede en Texas, incluyó en su concepto de hábitat Lunar Lantern.

Lamentablemente, las investigaciones experimentales sobre el regolito lunar son muy difíciles porque las condiciones lunares son muy diferentes a las de la Tierra. Esto incluye la menor gravedad (aproximadamente el 16,5% de la de la Tierra), el ambiente de vacío y las variaciones extremas de temperatura. De ahí que los investigadores se vean obligados a depender en gran medida de la modelización numérica, que normalmente se centra en las fuerzas de la columna e ignora en gran medida el papel de las colisiones de partículas. Pero como señaló Sanwar, su investigación ofrece información valiosa e ilustra por qué es importante considerar este fenómeno que a menudo se pasa por alto al planificar futuras misiones lunares:

"[Sin embargo,] nuestra investigación sobre colisiones de partículas ha demostrado que este es un fenómeno muy importante a considerar para una predicción precisa de la trayectoria del regolito y, por lo tanto, debe incluirse. Todavía quedan muchos desafíos en esta área, como la falta de de conocimiento sobre el coeficiente de restitución de partículas de regolito (que determina la pérdida de energía en una colisión), los efectos de la distribución del tamaño del regolito, las implicaciones de las columnas turbulentas, etc."

"Esperamos dilucidar algunas de estas incertidumbres en el futuro y contribuir a un modelo PSI lunar más completo para alunizajes Artemis más seguros".

Los hallazgos se publican en Acta Astronautica .

Más información: Shah Akib Sarwar et al, Investigación de los efectos de la colisión en las partículas del suelo lunar expulsadas bajo las columnas de cohetes, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.014

Proporcionado por Universe Today