Austin Langton, científico del Centro Espacial Kennedy Kennedy, Florida, crea un fino rocío de regolito que imita a BP-1. Crédito: NASA/Kim Shiflett
Muchas misiones a la Luna están previstas para esta década. Estos incluyen misiones robóticas y tripuladas realizadas por agencias espaciales, entidades espaciales comerciales y organizaciones sin fines de lucro. Los riesgos y peligros de ir a la luna están bien documentados con el programa Apolo y las seis misiones tripuladas enviadas a la superficie lunar entre 1969 y 1972. Pero a diferencia de las “huellas y banderas” de ayer, el plan para las próximas décadas es crear un “programa permanente de exploración y desarrollo lunar”.
Esto significa establecer una presencia más grande en la luna, construir infraestructura (como hábitats, sistemas de energía y plataformas de aterrizaje) y misiones regulares que van y vienen. Dado el entorno de baja gravedad de la Luna, las naves espaciales expulsan una gran cantidad de regolito lunar (también conocido como “polvo lunar”) durante el despegue y el aterrizaje. Este regolito está cargado electrostáticamente, es altamente abrasivo y causa estragos en la maquinaria y el equipo. En un estudio reciente, los científicos de la NASA Philip T. Metzger y James G. Mantovani se preguntaron cuánto daño podría causar todo ese regolito a las naves espaciales en órbita.
Philip T. Metzger es un físico planetario e investigador asociado de la Universidad de Florida Central (UCF) que recientemente se retiró del Centro Espacial Kennedy de la NASA. Kennedy, donde cofundó KSC Swamp Works. James G. Mantovani es astrofísico e investigador en Sistemas y Desarrollo de Exploración en KSC Swamp Works. Un artículo que describe sus hallazgos, “Daño a la nave espacial en órbita lunar causado por la eyección del módulo de aterrizaje lunar”, apareció recientemente en Internet en arXiv.
Además de los astronautas del Apolo, las agencias espaciales han enviado misiones robóticas a la Luna durante más de seis décadas. Las primeras misiones fueron lanzadas por la Unión Soviética en 1959, las sondas Luna 1 y 2 que volaron cerca de la Luna y aterrizaron en la superficie (respectivamente). Estas misiones han revelado mucho sobre la composición, estructura, entorno e historia evolutiva de la Luna. Esto incluye el hecho de que la mayor parte de la superficie de la Luna está cubierta por un polvo fino conocido como regolito lunar.
Este polvo está compuesto de minerales de silicato creados por miles de millones de años de meteoritos y micrometeoritos que golpean la superficie. Si bien la atmósfera esponjosa de la Tierra hace que la mayoría de estas rocas espaciales se quemen antes de llegar a la superficie, la luna no tiene atmósfera de la que hablar. Además, el entorno lunar sin aire no tiene precipitaciones ni erosión eólica, lo que hace que todo este regolito sea irregular y irregular. Además, la interacción entre la superficie y las partículas solares cargadas (también conocido como viento solar) dejó el regolito cargado electrostáticamente, ¡lo que provocó que se adhiriera a todo!
Como explicó Metzger a Universe Today por correo electrónico, esto hace que el regolito lunar sea una gran amenaza para la exploración robótica y tripulada de la luna:
“El regolito lunar representa una amenaza para la exploración porque es diferente al suelo de la Tierra. Así que ni nuestras tecnologías ni nuestra fisiología están adaptadas a ello. Es muy fácil que el rover se atasque en el suelo lunar porque las partículas finas hacen que tenga una dilatación muy alta, que es la propiedad del suelo de hincharse cuando una rueda pasa sobre él. También es un peligro para la salud. el polvo puede llegar al fondo de los pulmones donde puede causar una degradación a largo plazo de la salud respiratoria”.
Para sus propósitos, Metzger y Mantovani investigaron el peligro potencial que representa el regolito durante el despegue y el aterrizaje debido a que la luna no tiene aire y tiene una gravedad más baja (16,5% de la de la Tierra). “El polvo fino es acelerado por el escape del cohete a una velocidad muy alta, y la luna no tiene atmósfera, por lo que no hay nada que frene el polvo hasta que choca con otro objeto en la luna, en la superficie lunar o en órbita. . “Esto puede resultar en niveles muy altos de limpieza con chorro de arena en los recursos cercanos”.
Además de las misiones orbitales, el regolito expulsado durante el despegue y el aterrizaje puede degradar componentes en la superficie, desde células solares y calentadores hasta sensores y vehículos. Evaluar el daño potencial requiere que los científicos simulen la dinámica de fluidos en la superficie lunar. Esto significó considerar modelos físicos de cráteres y regímenes de erosión con trayectorias de eyección y posibles escenarios de daño. Como explicó Metzger, esto fue posible gracias a la combinación de datos de misiones anteriores con simulaciones informáticas y físicas:
“Para cuantificar las eyecciones de suelo y polvo de los gases de escape de los cohetes, realizamos experimentos, simulaciones por computadora y análisis de imágenes enviadas desde misiones lunares anteriores. Por ejemplo, llevamos a cabo alrededor de 400 experimentos de gravedad reducida utilizando un avión de gravedad reducida, lo que nos permitió determinar cuánto más rápido sería la erosión del suelo bajo la gravedad lunar en comparación con la gravedad de la Tierra. También llevamos a cabo experimentos en una cámara de vacío y descubrimos que la tasa de erosión es más rápida cuando el gas se enrarece”.
Estos experimentos de cámara de vacío consistieron en gran medida en aterrizar un avión en una cámara llena de JSC-1A, un simulador de suelo lunar creado por científicos del Centro Espacial Johnson de la NASA entre 2004 y 2008. Uno de esos experimentos fue realizado por Metzger en 2015 con su colega John E Lane, científico del Laboratorio de Operaciones de Regolito y Mecánica Granular (GMRO) en el Centro Espacial Kennedy de la NASA. Metzger y Mantovani también consideraron el trabajo previo de Metzger y Lane, donde mostraron cómo las trayectorias de eyección se reducen a ángulos, velocidades y tamaños de partículas.
También compararon estos datos experimentales con imágenes tomadas por los Módulos de aterrizaje lunar (LLM) utilizados por los astronautas del Apolo. Los resultados mostraron que las eyecciones tendrían diferentes efectos en las naves espaciales en órbita, según la naturaleza y la altura de sus órbitas. Además, dijo Metzger, los efectos aún pueden ser problemáticos con el tiempo:
“Hemos descubierto que Lunar Gateway, que estará en una órbita de halo casi rectilínea muy por encima de la Luna, experimentará solo daños menores por parte del eyector. Sin embargo, es importante conocer el alcance del daño, ya que incluso los instrumentos sensibles a esta altitud pueden verse afectados. Es mucho peor en la órbita lunar baja. Si una nave espacial pasa volando en el momento equivocado cerca del alunizaje, estimamos que alrededor del 4% de sus superficies de vidrio se astillarán. Este daño es acumulativo con exposiciones repetidas. Esto puede ser perjudicial para los equipos sensibles, como las cámaras a bordo de una nave espacial”.
Bajo el programa Artemis, la NASA y sus socios crearán una infraestructura a largo plazo para permitir un “programa de desarrollo y exploración lunar sostenible”. Esto incluye Lunar Gateway en órbita y Artemis Base Camp en la superficie, apoyando la exploración robótica y humana regular. La Agencia Espacial Europea también planea establecer Lunar Village, una instalación de investigación internacional que será el sucesor espiritual de la Estación Espacial Internacional (ISS). China y Rusia también se han asociado para crear la Estación de Investigación Lunar Internacional (ILRS) como competidor directo del Programa Artemis.
Un número creciente de compañías espaciales comerciales también están planeando misiones regulares a la luna, proporcionando de todo, desde transporte de carga y tripulación hasta turismo lunar. La creciente presencia humana significará un aumento significativo de la actividad en la superficie lunar, lo que podría tener repercusiones. Metzger dice que evaluar los riesgos potenciales y diseñar estrategias de mitigación es esencial hoy en día:
“Con el aumento esperado en el tráfico de aterrizaje lunar, esto podría convertirse en un problema importante que requerirá coordinación internacional. Debemos asegurarnos de que las naves espaciales no vuelen más allá de la plataforma de aterrizaje lunar. Necesitamos tener acuerdos sobre cuándo construir sitios de aterrizaje lunar para reducir las eyecciones”.
“También tenemos que ponernos de acuerdo sobre cuánto daño podemos hacer a la nave espacial de cada uno, porque el daño no se puede reducir a cero. En el entorno sin aire de la Luna, siempre dañaremos el equipo de los demás. Sin embargo, debemos estar de acuerdo en que un cierto nivel de daño de minimus es aceptable y debemos definir cuál es ese nivel”.