HACIA EL ESPACIO INTERESTELAR CON UNA SONDA QUE BORDEARÁ EL SOL

Ilustración de un artista de la trayectoria de escape de una nave espacial ( 
línea blanca brillante ) desde nuestro Sistema Solar hacia el espacio interestelar. 

Crédito: Mike YukovlevLaboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins (JHUAPL)
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La Sonda Interestelar de JHUAPL se lanzará alrededor del Sol para explorar el espacio interestelar

¿Cómo es esta paradoja? Para ir más lejos del Sol de lo que nunca antes nos hemos alejado, primero debemos acercarnos más que nunca al Sol. Ese es el concepto contradictorio en el corazón de la misión Interstellar Probe (Sonda Interestelar). Ésta, está en desarrollo en el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins (JHUAPL), en colaboración con la NASA . El objetivo principal de la misión es explorar la región lejana donde la influencia de nuestro Sol disminuye y comienza el espacio interestelar. Sin embargo, para llegar allí en un lapso de tiempo razonable, digamos 20 años, la sonda debe alcanzar una velocidad vertiginosa. Esta es más de 320.000 kilómetros por hora o aproximadamente cinco veces más rápido que cualquier nave espacial anterior.

La maniobra de Oberth y el estrés térmico

Encabezando una forma de lograr esta hazaña está Jason Benkoski, un científico de materiales en JHUAPL. Su equipo planea intentar la primera maniobra solar de Oberth. Esta implica lanzar una nave espacial alrededor del Sol y muy próxima a él y disparar un propulsor. Esto hace que la atracción gravitacional de la estrella acelere la nave a velocidades tremendas.

El truco, sin embargo, es sobrevivir al calor extremo de este encuentro cercano. Para obtener la mayor velocidad en esta maniobra, la sonda debe pasar a un millón seiscientos mil kilómetros de la superficie del Sol. Esto es cuatro veces más cerca de lo que lo hará la Parker Solar Probe (también desarrollada en APL) en 2025. De alguna manera, la ‘Interstellar Probe’ tendrá que resistir temperaturas de 2482 grados Celsius, suficientes para derretir cualquier hardware. Pero además, esa temperatura es capaz de encender explosivamente los combustibles convencionales para cohetes.

«Lograr esta maniobra solar de Oberth es uno de los problemas más difíciles que puedas imaginar», dice Benkoski. «Como ingeniero, es un desafío tremendamente emocionante para comenzar a trabajar». 

Proponiendo una solución innovadora

Benkoski y sus colegas demostraron recientemente lo que podría resultar una solución elegante. El punto de partida de los investigadores es un escudo térmico, un componente aeroespacial crítico. Suele estar hecho de materiales que absorben el calor y lo vuelven a irradiar, o de capas que se vaporizan intencionalmente. Los ingenieros han confiado durante mucho tiempo en los escudos térmicos para proteger las naves espaciales, incluida la sonda solar Parker. Pero debido a que ningún escudo térmico concebible podría soportar el entorno infernal objetivo, «tuvimos que pensar fuera de la caja», dice.

Es necesario enfriar y preservar la integridad del escudo térmico. Para ello, los investigadores lograron el avance conceptual de incorporar pequeños canales llenos de gas hidrógeno en la masa del escudo. Durante el pasaje abrasador de la sonda alrededor del Sol, el gas se calentaría, expandiría y pasaría a través de los canales que conducen a una sola boquilla de escape. «La idea es absorber todo este calor con hidrógeno», dice Benkoski, «y dispararlo por la parte posterior de la sonda». De esta manera, la configuración de enfriamiento también se duplica de manera oportunista como un motor. Proporciona así el empuje necesario para completar la maniobra de Oberth en primer lugar. «Es como golpear dos pájaros de un tiro», dice Benkoski.

(Agrandar imagen). Infográfico del Sistema Solar y el espacio interestelar.
Crédito: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.

Demostrando la viabilidad de la propulsión térmica solar.

Con esta solución teórica, los investigadores se habían topado con una vieja idea, llamada propulsión solar térmica. Aunque se lanzó en la década de 1960 como una forma libre de combustión para permitir los viajes espaciales, nunca ha funcionado. Gracias a los avances en la ciencia y la ingeniería de los materiales, Benkoski y sus colegas demostraron nuevamente la viabilidad del concepto. Para ello construyeron el primer prototipo de motor de propulsión térmica solar.

Los experimentos que demuestran esto comenzaron el año pasado en un contenedor modificado en el campus de JHUPL. Apodado ‘el simulador solar’, fue originalmente utilizado para poner a prueba la sonda solar Parker. El contenedor está forrado con bancos de luces LED que brillan con 20 veces la intensidad energética del Sol del mediodía. 

En su simulador, el equipo de Benkoski probó baldosas de metal del tamaño de una hoja de papel de impresora con tubos adjuntos. En lugar de hidrógeno, que es inflamable en la atmósfera terrestre, el gas helio llenó los tubos, sirviendo como refrigerante y propulsor de sustitución. 

Cuando la baldosa se calentó bajo el brillo de los LED, el helio fluyó a través de los tubos. Luego salió disparado por una boquilla, tal como estaba previsto. Habiendo tenido éxito con esta prueba de concepto, los investigadores ahora quieren pasar a intensidades solares más altas, junto a materiales de vuelo más realistas. Estos son más livianos que el metal probado hasta ahora, y además eventualmente utilizar hidrógeno como refrigerante-propulsor.

Implicaciones para el futuro de la exploración espacial

El concepto de este artista muestra las ubicaciones generales de las dos naves espaciales Voyager de la NASA. La Voyager 1 (arriba) , la Voyager 2 (abajo). Más información.
Crédito: NASA Jet Propulsion Laboratory – Calthec.

Los resultados podrían tener importantes implicaciones en el futuro de la exploración espacial. Hasta la fecha, solo dos naves espaciales, las Voyager 1 y 2 , ambas lanzadas en 1977, han abandonado nuestro Sistema Solar. Han atravesado el llamado límite de la heliopausa, donde el campo magnético emitido por el Sol y las partículas energizadas cesan su flujo hacia afuera. Las sondas fueron diseñadas para estudiar los planetas exteriores. Debido a ello ninguna de las Voyager fue con el equipo científico adecuado para documentar adecuadamente esta región de transición poco entendida. Además, la Voyager 1 , la primera de las sondas en ser interestelar, tardó 35 años en hacerlo.

Interstellar Probe y sus descendientes estarían habilitadas para la maniobra de Oberth impulsadas por propulsión solar térmica. Esto significa que podrían abrir los confines del Sistema Solar y más allá a la exploración robótica. Benkoski dice que las sondas podrían lanzarse en trayectorias adecuadas para volar por algunos objetos nunca antes vistos del Cinturón de Kuiper similares a Plutón. Otra misión de APL, New Horizons , visitó Plutón por primera vez hace poco tiempo, en 2015, revelando un mundo sorprendentemente variado y dinámico.  El objetivo general de Interstellar Probe es alcanzar un punto de vista al menos a 80 mil millones de kilómetros de distancia. Esto es aproximadamente tres veces más lejos que el borde del Sistema Solar. A partir de ahí, la sonda debería obtener una visión reveladora de cómo nuestro Sol interactúa con el espacio interestelar.

Queda mucha ciencia por hacer

«Hay mucha ciencia interesante que queremos hacer, como comprender realmente la naturaleza completa del Sol, su influencia en el entorno espacial local. También, aprender más sobre el Cinturón de Kuiper», dice Benkoski. «Por mucho que creemos saber, todavía no tenemos una buena idea de lo que hay ahí afuera».

Fuente: Johns Hopkins Magazine.

Artículo original: «Going Interstellar With A Sun-Skirting Probe«. Adam Hadhazy. Primavera 2021.

Material relacionado

Sobre las naves espaciales Voyager

Australia sigue rastreando las Voyagers a los 40 años de su lanzamiento

Ésta representación artística muestra las distancias en el Sistema Solar en perspectiva. La barra de escala está en unidades astronómicas (UA), con cada distancia establecida más allá de 1 AU representando 10 veces la distancia anterior. Una AU es la distancia desde el Sol a la Tierra, que es de unos 93 millones de millas o 150 millones de kilómetros. Neptuno, el planeta más distante del Sol, está aproximadamente a 30 UA. La Voyager 1 de la NASA, la nave espacial más lejana de la humanidad, está  alrededor de 125 UA (2017).  Más información.
Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech.

En Agosto de 2017 se cumplieron 40 años desde que la NASA lanzó las dos sondas espaciales Voyager (Viajero). Su misión: explorar los planetas exteriores de nuestro Sistema Solar. Australia ha estado ayudando a la agencia espacial de Estados Unidos a mantener un registro de las sondas en cada paso de su épico viaje. El siguiente artículo lo presenta y contiene además una selección de recursos sobre ellas.

Encendiendo los propulsores de la Voyager 1 después de 37 años

Representación artística de una de las naves gemelas Voyager (Viajero) de la NASA. Las naves espaciales más lejanas y de más larga vida de la humanidad, celebraron los 40 años de viaje espacial en Agosto y Septiembre de 2017. El equipo de las Voyagers puede usar un conjunto de cuatro propulsores de respaldo, inactivos desde 1980. Están ubicados en la parte posterior de la nave espacial en esta orientación. 
Crédito: NASA / JPL-Caltech.

Si tratas de encender un automóvil que ha estado en un garaje durante décadas,  no esperarías  que el motor responda. Pero, un conjunto de propulsores a bordo de la nave espacial Voyager 1 (Viajero 1) se disparó con éxito, después de 37 años sin uso.

Misión Interestelar de las Voyagers

El concepto de este artista muestra las capas externas de nuestra burbuja solar, o heliosfera, y el espacio interestelar cercano. La Voyager 1 está explorando actualmente una región del espacio interestelar, que todavía siente las influencias de partículas cargadas y campos magnéticos de la heliosfera. Las líneas del campo magnético (arcos amarillos) parecen estar en la misma dirección general que las líneas del campo magnético que emanan de nuestro Sol. Más información. Imagen más grande.
Crédito: NASA / JPL-Caltech.

El objetivo de la misión ‘Voyager Interstellar Mission’ es extender la exploración del Sistema Solar hasta los límites exteriores de la esfera de influencia del Sol. Esta misión extendida continúa caracterizando el entorno del sistema solar exterior. Busca el límite de la heliopausa, los límites externos del campo magnético del Sol y el flujo hacia afuera del viento solar. La penetración del límite de la heliopausa entre el viento solar y el medio interestelar permitirá realizar varias mediciones. Estas abarcan los campos, partículas y ondas interestelares no afectados por el viento solar.

Sobre la Sonda Solar Parker

La sonda solar Parker (ilustrada), se acercará más al Sol que cualquier nave espacial anterior.
Crédito de la imagen: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, (JHUAPL).

El artículo a continuación hace una descripción de la misión y contiene además una selección de recursos sobre la misma. En particular sobre el escudo térmico de la nave.

Sobre la asistencia gravitatoria

La publicación siguiente, contiene una selección de recursos sobre la asistencia gravitatoria en las misiones espaciales.

Bepicolombo sobrevolará la Tierra mañana 10 de Abril. Carlos Costa. Sociedad Astronómica Octante (SAO). Abril 9, 2020.

Curiosidades

Descubriendo la forma de nuestro Sistema Solar

Un modelo actualizado sugiere que la forma de la burbuja de influencia del Sol, la heliosfera (vista en amarillo), puede ser una forma de croissant desinflado. Ella difiere de la forma de cometa de cola larga sugerida por otra investigación.
Créditos: Opher, et al.

El Sistema Solar está encerrados en una burbuja magnética, tallada en el espacio por el material que fluye constantemente del Sol, el viento solar.  Fuera de esta burbuja está el medio interestelar. Es el gas ionizado y el campo magnético que llena el espacio entre los sistemas estelares en nuestra galaxia. Una pregunta que los científicos han intentado responder durante años es sobre la forma de esta burbuja. Ella viaja a través del espacio a medida que nuestro Sol orbita alrededor del centro de nuestra galaxia. Tradicionalmente, los científicos han pensado en la heliosfera teniendo una forma de cometa, con un borde de ataque redondeado, y una cola larga detrás.

La investigación publicada en Nature Astronomy en Marzo 2020, presentada en la portada de la revista en Julio, proporciona una forma alternativa: «el croissant desinflado». Ella carece de la larga cola.

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