Aquí hay un plan para enviar una nave espacial a Venus y hacer que Venus pague por ello

En 2005, se estableció el Grupo de Trabajo de Operaciones Futuras en el Espacio (FISOWG) 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 FISO también estableció el Serie FISO Telecon para llevar a cabo la divulgación al público y educarlos sobre temas relacionados con la tecnología, la ingeniería y la ciencia de los vuelos espaciales.

Cada semana, Telecon Series realiza 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 con respiración de aire para la exploración in situ de Venus“, el ingeniero de la NASA Michael Paul presentó una idea novedosa donde 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 de extrañar, teniendo en cuenta 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 la era soviética Sondas y módulos de aterrizaje Venera y de la NASA Multisonda Pioneer Venus – 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 realizan 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 con el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hopkins (JHUAPL), el contribuido a la NASA Contorno y Estéreo misiones, y también fue fundamental en el lanzamiento y las primeras operaciones de la MENSAJERO Misión a Mercurio.

Sin embargo, fue un estudio de nivel insignia 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 In-Situ Resource Utilization (ISRU). . Como afirmó durante el seminario:

“Ese año estudiamos una misión muy grande a Europa que se convirtió en la actual Misión Europa Clipper. Y también estudiamos una misión insignia a Saturno, específicamente a Titán. El estudio de la misión del sistema Titán-Saturno me abrió los ojos en cuanto a lo que se podía hacer y por qué deberíamos hacer mucho más. aventurero y mas exploración agresiva in-situ en ciertos lugares”.

La misión insignia a Titán fue el tema del trabajo de Paul desde que se unió Laboratorio de Investigación Aplicada de Penn Sate en 2009. Durante su tiempo allí, se convirtió en un Programa de Conceptos Avanzados e Innovadores de la NASA (NIAC) Fellow por su co-creación del Submarino Titán. Para esta misión, que explorará los lagos de metano de Titán, Paul ayudó a desarrollar sistemas de energía submarinos que proporcionarían energía para 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. La exploración in situ, en la que se confía en los recursos locales para diversos fines, presenta numerosas ventajas sobre los conceptos más tradicionales, entre las que destaca la rentabilidad.

Considere la misión que se basa en Generadores termoeléctricos de radioisótopos multimisión (MMRTG): donde se utilizan elementos radiactivos como el plutonio-238 para generar electricidad. Considerando que este tipo de sistema de energía, que fue utilizado por el vikingo 1 y 2 Landers (enviado a Marte en 1979) y el más reciente Curiosidad rover: proporciona una densidad de energía sin igual, el costo de tales misiones es prohibitivo.

Además, las misiones in situ también podrían funcionar en lugares donde las células solares convencionales no funcionarían. Estos incluyen no sólo ubicaciones en el Sistema Solar exterior (es decir, Europa, Titán y Encelado), sino también lugares más cercanos a casa. El Polo Sur-Cuenca Aitkenpor ejemplo, es un lugar permanentemente sombreado en la Luna que la NASA y otras agencias espaciales están interesados ​​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 escasea debido a la densa atmósfera del planeta. Como Paul explicó en el transcurso del seminario:

“¿Qué se puede hacer con otros sistemas de energía en lugares donde el sol simplemente no brilla? Bien, 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 [were proposed] a la superficie de Venus tenía una línea de tiempo de dos horas. Y todos fueron propuestos, ninguna de esas misiones fue realmente volada. Y eso está en línea con las 2 horas que los módulos de aterrizaje rusos sobrevivieron cuando llegaron allí, a la superficie de Venus”.

La solución a este problema, como lo ve Paul, es emplear un sistema de potencia y energía química almacenada (SCEPS), también conocido como motor Sterling. Esta tecnología comprobada se basa en la energía química almacenada para generar electricidad y, por lo general, se usa en sistemas submarinos. Pero rediseñado 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 lo licuaría con una carga pirotécnica. Este líquido resultante se alimentaría luego a otra cámara donde se combinaría con un oxidante. Esto produciría calor y combustión, que luego se utilizaría para hervir agua, hacer girar turbinas y generar electricidad.

Dicho sistema normalmente está cerrado y no produce escape, lo que lo hace muy útil para los sistemas submarinos que no pueden comprometer su flotabilidad. En Venus, dicho sistema permitiría la producción de electricidad 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 (o yodo) licuado del sistema, el sistema SCEPS podría proporcionar energía sostenida durante un período de días.

Con la ayuda de Conceptos avanzados innovadores de la NASA (NIAC) y financiación de la Tecnología de temperatura de funcionamiento caliente (HOTTech), que es supervisado por la NASA División de Ciencias Planetarias – PAGaul y sus colegas pudieron probar su concepto y descubrieron que era capaz de producir calor sostenido que era tanto controlable como sintonizable.

Más ayuda provino del Glenn Research Center’s BRÚJULA laboratorio, fueron Ingenieros de múltiples disciplinas realizan análisis de sistemas de vehículos integrados. De todo esto, un concepto de misión conocido como el Venus Explorer de litio avanzado (VIVO) fue desarrollado. 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 alcanzaría la superficie de Venus y la estudiaría durante 5 a 10 días.

En total, esa es una ventana operativa de entre 120 y 240 horas, en otras palabras, de 60 a 120 veces más que las misiones anteriores. Sin embargo, queda por ver cuánto costaría tal misión. Según Pablo, que pregunta se convirtió en la base de un debate en curso entre él y Oleson, quien no estuvo de acuerdo en cuanto a si sería parte de la Programa de descubrimiento o el Programa Nuevas Fronteras.

Como explicó Paul, las misiones que pertenecen al primero se limitaron recientemente al nivel de $ 450 a $ 500 millones, mientras que las últimas tienen un límite de $ 850 millones. “Creo que si hicieras esto bien, podrías incluirlo en una misión Discovery”, 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 elaboramos esta misión, podrías 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 antes se había hecho. Por supuesto, 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 produjeron 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 debería ventilarse para evitar una explosión. Pero las ventajas de dicho sistema son evidentes y Paul y sus colegas están ansiosos por tomar medidas adicionales para desarrollarlo. Este verano, realizarán otra prueba de un SCEPS de litio bajo la atenta mirada de NAIC.

Para el próximo año, esperan haber completado su análisis y su diseño para el sistema, y ​​comenzar a construir uno que esperan probar en un ambiente de temperatura controlada. Este será el primer paso en lo que Paul espera que sea un período de tres años de prueba y desarrollo.

“El primer año básicamente vamos a hacer muchos cálculos numéricos para asegurarnos de que lo hicimos bien”, dijo. “El segundo año lo construiremos y lo probaremos a temperaturas más altas que la temperatura ambiente, ¡pero no a las altas temperaturas de Venus! Y en el tercer año, haremos la prueba de alta temperatura”.

En última instancia, el concepto podría funcionar en cualquier cantidad de condiciones de temperatura alta y baja, lo que permitiría misiones rentables de larga duración en todo tipo de entornos extremos. Estos incluirían a Titán, Europa y Encelado, pero también a Venus, la Luna y quizás también las regiones permanentemente sombreadas en los polos de Mercurio.

La exploración espacial es siempre un desafío. Cada vez que surjan ideas que permitan llegar a más entornos, y con un presupuesto ajustado, ¡es hora de comenzar a investigarlas y desarrollarlas!

Para obtener más información sobre los resultados de las pruebas SCEPS y para obtener más información sobre los sistemas propuestos, consulte el diapositivas y grabación de audio del seminario FISO de esta semana. También puede consultar la presentación titulada “Una planta de energía impulsada por combustión para la exploración de la superficie de Venus“, que Paul y Oleson hicieron durante la 48ª Conferencia Lunar y Planetaria (que se desarrolló del 20 al 24 de marzo de 2017).

Otras lecturas: FISO