Las primeras imágenes en color de la superficie de Venus tomadas por la sonda espacial Venera-13. Venera 13 duró solo 127 minutos antes de sucumbir al ambiente extremo en la superficie de Venus. Parte de la construcción de un módulo de aterrizaje de Venus más duradero es descubrir cómo alimentarlo. Fuente: NASA
Hace unas semanas, un equipo de científicos de Caltech anunció que había enviado con éxito energía desde un satélite en órbita a la Tierra. No era mucha energía, pero demostró que era posible.
Eventualmente, podremos enviar energía desde satélites solares a la Tierra, haciendo que la energía solar esté disponible en casi todas partes y ayudando a combatir el cambio climático. Pero hay otro uso potencial: alimentar sondas de superficie en Venus.
Todo el mundo conoce a Venus. Ha matado a muchos módulos de aterrizaje con su calor extremo y su aplastante presión atmosférica. La antigua Unión Soviética envió una serie de sondas a la superficie del planeta y la mayoría de ellas fallaron. El más exitoso fue el Venera 13, que sobrevivió poco más de dos horas a 457 °C (855 °F) y fue presurizado a 9,0 MPa (89 atmósferas estándar).
A pesar del breve pero notable éxito de Venera 13, el planeta ha guardado sus secretos y estamos regresando a su superficie para revelarlos. Es por eso que la NASA quiere enviar un módulo de aterrizaje a la superficie como parte de la misión DAVINCI+ (Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gass, Chemistry, and Imaging).
Pero la pregunta es cómo impulsar un módulo de aterrizaje en la superficie única y traicionera de Venus, suponiendo que podamos construir uno que no sucumba fácilmente a las desagradables condiciones de Venus. Los métodos ordinarios -energía solar, baterías, generadores termoeléctricos de radioisótopos- no son suficientes. Eso es según un nuevo estudio titulado “La viabilidad de transmitir energía a través de la atmósfera de Venus”, publicado en la revista Acta Astronáutica. El autor correspondiente es Erik Brandon del Laboratorio de Propulsión a Chorro.
“Las tecnologías de energía espacial de última generación, incluidos los paneles solares, las baterías y los generadores termoeléctricos de radioisótopos, no pueden funcionar en la superficie de Venus, que está limitada por las altas temperaturas, las altas presiones y un entorno corrosivo”, explican los autores.
Este dibujo del estudio muestra cómo la atmósfera de Venus dificulta la transferencia de energía de las nubes a la superficie en microondas. “En este rango espectral, el vapor de agua y el CO2 son los únicos gases absorbentes significativos, mientras que las nubes/aerosoles de H2SO4 son los principales contribuyentes a las profundidades de extinción óptica”, explica el artículo. Fuente: Grandidier et al. 2023
Venus está más cerca del Sol, pero su densa atmósfera significa que poca radiación solar llega a la superficie. Alrededor del 75% de la energía del sol es reflejada por las nubes de Venus, y solo alrededor del 2,5% del flujo solar que cae sobre la atmósfera llega a la superficie. Por encima de las nubes, la energía solar es abundante. Venus recibe el doble de radiación solar en la parte superior de su atmósfera que la Tierra en la parte superior de su atmósfera.
¿Podría esta abundante energía ser aprovechada por colectores solares sobre las nubes y luego enviada a un módulo de aterrizaje/rover? Tendría que atravesar espesas nubes. “La viabilidad de tal enfoque y otros conceptos de misión relacionados se discuten aquí desde la perspectiva de la absorción atmosférica y la disipación de la energía radiada”, se lee en el documento.
La transferencia de energía de un lugar a otro se denomina transferencia inalámbrica de energía (o potencia). Hay dos tipos: campo cercano y campo lejano. El campo cercano es la transferencia de energía en distancias cortas, como la que se usa en los cargadores de dispositivos móviles. La transferencia de energía de campo lejano también se denomina haz de energía y utiliza microondas o láser para transferir energía del productor al receptor.
Uno de los problemas con la transferencia de energía de un colector solar orbital a un vehículo en la superficie son las complicaciones en la órbita geoestacionaria de Venus. El planeta gira tan lentamente que la órbita geoestacionaria está muy lejos del planeta, lo que hace que la órbita sea inestable. De alguna manera, el colector solar tendría que estar más cerca del planeta. Por encima de las nubes superiores, a una altitud de unos 60 o 70 km, el colector recibiría prácticamente toda la luz solar disponible. El diseño de la misión puede requerir mantener un colector o grupo de colectores a la altura y posición correctas.
Una solución alternativa es enviar una ráfaga de energía al módulo de aterrizaje en cada órbita, lo que puede ser suficiente. “Se pueden obtener cientos de Wh (vatios-hora) de energía en unos pocos pases orbitales del módulo de aterrizaje”, explican los autores.
Sin embargo, estos son problemas más importantes relacionados con la arquitectura general de la misión. Este estudio asume que hay soluciones a este problema. En este trabajo, los autores se centran en cómo transmitir y recibir energía, que no ha sido explorado a fondo. “Sin embargo, hasta la fecha, no ha habido un estudio exhaustivo de la viabilidad de la transmisión de energía en las longitudes de onda apropiadas si se pudiera desarrollar e implementar una plataforma y una arquitectura de misión apropiadas”, escriben los autores.
El problema es que la atmósfera de Venus es espesa y contiene sustancias químicas que interfieren con el haz de energía de microondas. Las concentraciones de CO2 son un problema particular.
Este dibujo del estudio muestra la transmisión de energía por un láser de diferentes longitudes de onda desde una altura de 47 km. Se eligió una altitud de 47 km porque debajo de ella se disipa menos la energía del haz. Probablemente haya suficientes ventanas en la atmósfera para que los láseres transmitan suficiente energía para operar un módulo de aterrizaje de superficie. Fuente: Grandidier et al. 2023
Los láseres pueden ser una mejor solución. Si bien existen problemas con las atmósferas densas, existen ciertas “ventanas de frecuencia” en la atmósfera que pueden permitir la transmisión de energía con láser. “En contra de la intuición, la emisión de energía de una fuente láser puede ser posible en Venus a pesar de la continua cobertura de nubes, dadas algunas ‘ventanas’ ópticas/infrarrojas presentes en la atmósfera de Venus a las que no se puede acceder mediante un haz de microondas”, escriben los autores.
Los láseres también tienen otras ventajas, como una menor dispersión del haz en comparación con las microondas. Esto significa que las antenas receptoras no tienen que ser tan grandes. Un receptor de un metro podría ser suficiente y no sería tan voluminoso como para interferir demasiado con el diseño del módulo de aterrizaje.
Si bien la energía solar es abundante en la atmósfera superior de Venus, transmitirla a través de toda la atmósfera puede no ser el mejor enfoque. En cambio, un globo u otro vehículo podría terminar cerca del centro de la atmósfera. Allí recibiría suficiente energía solar para ser viable, y solo necesitaría transferir la energía a través de una parte de la atmósfera.
La investigación muestra que la altura de 47 km es significativa. A esta altura se encuentra la base de las nubes, y debajo de ella la energía emitida se disipa menos. También muestra que desde una distancia de 47 km, la tasa de transmisión más alta es de 1022 nanómetros, donde aproximadamente el 20% de la energía del haz alcanzaría el módulo de aterrizaje de la superficie.
“Estos cálculos indican un enfoque plausible para transmitir flujos de energía a Venus utilizando la transmisión desde una plataforma aerotransportada que opera cerca de la base de las nubes”, escriben los autores.
Pero, ¿existe una tecnología que lo haga posible? El artículo no discute qué tipo de vehículo o plataforma se puede utilizar en el km 47. Se centran en la propia radiación de energía y si los cálculos muestran que es posible. Pero también hablan sobre la tecnología láser disponible y si estará a la altura.
Miembros del equipo de JPL y Near Space Corporation están preparando un prototipo de globo robótico aéreo, o aerobot, para un vuelo de prueba al amanecer en el desierto Black Rock de Nevada en julio de 2022. El aerobot completó con éxito dos vuelos, demostrando vuelo a una altitud controlada. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Según los científicos, todavía no tenemos el tipo correcto de láser.
Sin embargo, los científicos están ocupados desarrollándolos. Se están desarrollando láseres de fibra dopada con iterbio (YDFL) que funcionan en la ventana del infrarrojo cercano (NIR), que también pueden funcionar a alta potencia. Desafortunadamente, no operan en la longitud de onda ideal para usar en Venus: 1022. En cambio, están limitados a otros dos rangos: 970-980 nm y 1030-1100 nm. Pero los láseres son de gran interés para varios investigadores de todo el mundo, y el progreso es constante.
La tarea de mantener algún tipo de plataforma aérea estable y en la posición correcta es fundamental para cualquier misión de haz de energía. Pero los científicos ya están trabajando en globos y otras plataformas aéreas para usar en Venus. Suponiendo que se puedan desarrollar, los autores creen que un escenario de haz de energía podría estar a la altura del desafío y crear misiones exitosas a la superficie de Venus.
“Además, si bien existen desafíos de ingeniería y diseño de misiones para controlar y señalar una plataforma de aeronave de este tipo utilizada para la transferencia de energía y la gestión térmica general, este análisis muestra que estas ventanas ópticas se pueden usar para permitir niveles de energía suficientes para permitir que las misiones se lleven a cabo”. a la superficie.” Venus”.
Necesitamos una mejor comprensión de la atmósfera de Venus antes de poder diseñar un sistema específico. DAVINCI+ tiene tres objetivos científicos principales, uno de los cuales es comprender la atmósfera a medida que se mueve.
Sus hallazgos ayudarán a los científicos a comprender qué obstáculos enfrentan para transmitir energía a la superficie del planeta. Si esto se puede hacer de manera confiable, Venus estará abierto a la exploración.