Cómo la sonda DAVINCI de la NASA resistirá las condiciones infernales de Venus
Como resulta ser nuestro vecino de al lado, puede imaginar que tenemos un conocimiento profundo del planeta Venus. Pero estarías equivocado. La NASA no ha visitado el planeta en más de 30 años, y hay tantas cosas sobre el lugar que apenas entendemos, desde su historia geológica hasta qué tipo de rocas hay en su superficie, que gran parte de su entorno es esencialmente un misterio .
Los científicos creen que Venus alguna vez fue como la Tierra , pero los dos divergieron en algún momento de su evolución para convertirse en los lugares muy diferentes que son hoy. Sabemos que Venus tiene una atmósfera espesa que mantiene el calor y lo convierte en el planeta más caliente del sistema solar. Y sabemos que su superficie está cubierta de montañas, grietas y volcanes, aunque no sabemos si todavía están activos.
Una de las razones por las que aún se desconoce mucho sobre Venus es que su densa atmósfera oculta la mayor parte de su terreno a la vista, y es difícil mirar a través de las capas de nubes para ver qué hay debajo. Otra razón es que es un lugar escalofriantemente inhóspito. Entre sus temperaturas de horneado y su atmósfera espesa y ácida, nada hecho por el hombre ha sobrevivido en su superficie por más de unos pocos minutos.
Pero si queremos saber más sobre este misterioso planeta de al lado, tenemos que visitarlo. Y eso es exactamente lo que planea hacer la misión DAVINCI de la NASA, lanzar una sonda a través de la atmósfera para tomar lecturas hasta que caiga a la superficie. La misión, que será una de un trío de misiones a Venus en la próxima década, está programada para lanzarse en 2029 y llegar a Venus para su caída en picado a través de la atmósfera en 2031.
Para averiguar cómo se construye una sonda para resistir este entorno infernal y qué podemos aprender de él, hablamos con dos miembros del equipo de DAVINCI: Jim Garvin, investigador principal de la misión, y Mike Sekerak, ingeniero de proyectos de sistemas.
¿Qué pasa con la atmósfera de Venus?
Venus representa una frontera en la ciencia planetaria sobre la que se sabe muy poco, considerando lo relativamente cerca que está de nosotros. Lo que sucede debajo de la capa superior de nubes es una pregunta particularmente intrigante.
“La caracterización de la atmósfera, desde la parte superior de las nubes hasta la superficie, esta atmósfera grande y masiva, el 75% de la cual se encuentra en los 15 a 20 kilómetros inferiores, está casi inexplorada”, dijo Garvin.
Las sondas enviadas a Venus en las décadas de 1960 y 1970 intentaron recopilar datos sobre la atmósfera y tuvieron cierto éxito. Pero las mediciones anteriores tomadas de la atmósfera no han sido confiables debido a problemas físicos con sondas anteriores como entradas obstruidas y la tecnología limitada disponible. Eso condujo a algunas lecturas codificadas, de las cuales Garvin dice: "Algunas de ellas no tienen sentido".
La atmósfera inferior en particular es en muchos sentidos un misterio. Podría ser un fluido supercrítico, en el que la temperatura y la presión son tan altas que chapotea como un líquido. También está la cuestión de cómo interactúan las rocas de la superficie del planeta con la atmósfera.
Y estudiar la atmósfera y la superficie podría ayudar a responder una de las preguntas más importantes que tenemos sobre Venus: ¿alguna vez tuvo océanos de agua líquida en su superficie y, de ser así, qué les sucedió?
Dos grandes retos
Venus no es un lugar acogedor para una sonda: hace el doble de calor que un horno y hay más presión en la superficie que estar bajo un kilómetro de océano.
“Los desafíos técnicos que tenemos aquí son bastante emocionantes”, dijo Sekerak. El mayor problema para cualquier misión potencial a Venus es el calor, ya que las temperaturas de la superficie pueden alcanzar los 900 grados Fahrenheit (475 grados Celsius). Eso es lo suficientemente caliente como para derretir el plomo y causa estragos en la electrónica.
Sin embargo, esa es solo una parte del desafío ambiental. “Sin embargo, la presión no se queda atrás en términos de dificultades”, dijo Sekerak. La presión en la superficie es de alrededor de 95 bares, o casi 100 veces la presión atmosférica en la superficie de la Tierra, por lo que diseñar una sonda para este tipo de entorno es como construir un submarino.
Cuando se lance a la atmósfera, DAVINCI estará en una carrera contrarreloj para recopilar toda la información que necesita antes de que el calor y la presión destruyan sus componentes. Para mantener la sonda activa el mayor tiempo posible, es esférica y está recubierta de una gruesa capa de titanio para soportar la presión y aislar del calor. Luego, hay más aislamiento dentro de este caparazón, hecho de materiales especiales que incluyen astrocuarzo, un tipo de fibra hecha de cuarzo fundido.
El interior está diseñado para mantener los componentes aislados térmicamente del exterior también, para evitar que el calor se transfiera desde la carcasa. Luego se llena con gas de dióxido de carbono para proteger los componentes electrónicos de alto voltaje de las chispas y evitar que los gases terrestres se filtren durante el lanzamiento.
En general, la sonda, que el equipo llama esfera de descenso, mide aproximadamente un metro de ancho. Será lanzado desde un orbitador con un paracaídas para frenar su descenso, aunque la atmósfera ayuda con esto porque es tan espesa que es más como dejar caer la sonda a través del agua que del aire.
En total, la sonda tardará 63 minutos en llegar a la superficie, y en esa hora recopilará la mayor cantidad de datos posible antes de que sea inevitablemente destruida por el entorno brutal.
Muestreo hasta el final
La esfera de descenso caerá a través de la atmósfera y muestreará todo el camino hacia abajo, para construir una imagen de la atmósfera de arriba hacia abajo.
Dentro de la esfera habrá instrumentos como espectrómetros, similares a los instrumentos de los rovers de Marte Curiosity y Perseverance, que pueden medir la composición química de las muestras observando las longitudes de onda de la luz que absorben. Pero a diferencia de los rovers de Marte, que pueden tardar horas o días en recolectar y analizar cuidadosamente una muestra, DAVINCI tendrá que realizar su muestreo y análisis en cuestión de minutos.
Hay válvulas de entrada en varios puntos sobre la esfera, con cubiertas de cerámica que se rompen para ingerir gases. Estos gases deben analizarse extremadamente rápido y luego ventilarse para que se puedan tomar más muestras. Esto permitirá que la sonda obtenga una visión más detallada hasta el momento de la química de la atmósfera en todas sus capas.
Mientras esto sucede, otros sensores en la sonda medirán factores como la temperatura y la presión, para ayudar a comprender la estructura de la atmósfera. Luego, todos estos datos se enviarán de regreso al orbitador antes de que la sonda llegue a la superficie.
La sonda solo está diseñada para tomar muestras en la atmósfera y no para aterrizar. Pero cuando toca la superficie, existe la posibilidad de que sobreviva. La espesa atmósfera y el paracaídas ayudarán a ralentizar su descenso, pero "definitivamente golpeará a una velocidad que es, uhh, menos que ideal para el hardware de vuelo espacial", dijo Sekerak riendo.
Sin embargo, si la sonda sobrevive al aterrizaje, podría durar hasta 20 minutos recopilando datos antes de que el calor penetre la esfera y fríe los componentes electrónicos. Y eso será aún más datos adicionales sobre la temperatura y la presión de la superficie, así como los gases presentes.
Comprender la química de la atmósfera es solo una parte de los objetivos de DAVINCI. La otra parte, que puede ser la más emocionante para el público, es tomar fotos de la misteriosa superficie de Venus.
Venus a escala humana
La sonda descenderá “en las montañas de Venus, en un tipo de terreno que nunca antes había visto la humanidad”, dijo Garvin. Y el equipo quiere registrar esta experiencia tanto visual como químicamente.
La esfera de descenso también tendrá una cámara que tomará imágenes de alto contraste de la superficie, que luego se pueden construir en mapas 3D.
Sin embargo, para que una cámara funcione desde el interior de una esfera de metal, se necesita una ventana. Y el vidrio no es un gran material para lidiar con entornos de alta presión intensa. Por eso, la ventana de DAVINCI no será de cristal sino de zafiro.
“Literalmente es una pieza de zafiro muy, muy grande”, dijo Sekerak. “Porque tiene grandes propiedades ópticas”. Es muy fuerte pero también muy claro, por lo que no distorsionará las imágenes tomadas a través de él. Pero inevitablemente, una ventana que deja pasar la luz también dejará entrar más calor, por lo que los ingenieros agregaron materiales de cambio de fase alrededor del ensamblaje de la ventana. Este material se funde a una temperatura específica para absorber el exceso de calor de la ventana.
Esto permitirá que la cámara tome imágenes claras y nítidas durante su descenso. Estos se utilizarán para fotografiar el terreno de Venus, desde lo alto y hasta la superficie misma.
“Nuestras imágenes finales tendrán una resolución de 10 centímetros”, dijo Garvin. “Esa es la escala que verías mirando a través de tu sala de estar”.
Además de ofrecer una gran cantidad de datos científicos, Garvin espera que la captura de imágenes a esta escala ayude al público a sentir que puede ver a Venus como un lugar real, no simplemente como un punto para ser observado desde lejos.
“Queremos llevar la visión humana y nuestra percepción sensorial a Venus”, dijo. “Empezaremos a sentir Venus a escala humana”.
Prueba de lo desconocido
La parte realmente complicada de una misión a Venus ni siquiera es enfrentar los desafíos que conocemos, como la temperatura y la presión. Está tratando de anticipar qué desafíos podrían surgir de un entorno del que tenemos tan poca información.
Es por eso que las pruebas y la preparación serán una gran parte de lo que haga el equipo de DAVINCI durante los próximos siete años, en preparación para un lanzamiento programado para 20219.
“Hacemos pruebas en el peor de los casos”, explicó Sekerak. “Así que probamos cuál podría ser el peor entorno”.
Por ejemplo, los investigadores saben que las nubes de Venus tienen gotas de ácido sulfúrico, y el ácido sulfúrico corroe los materiales. Es una preocupación particular para el cordón de Kevlar que sujetará la esfera de descenso al paracaídas. Entonces, para probar si la cuerda de seguridad puede resistir el ambiente ácido, los ingenieros no solo la suspenden en unas pocas gotas de ácido: cubren toda la superficie con ácido, luego prueban la fuerza de tracción de la cuerda de seguridad para asegurarse de que pueda sobrevivir el tiempo suficiente para llevar la sonda a través de la atmósfera incluso en el peor de los casos.
En cuanto a cómo prueba el hardware en entornos tan diferentes a la Tierra, debe ser creativo. Para ver cuánto tardaría en calentarse la esfera de metal, el equipo la llevó a una fundición de metal. “Su trabajo es fundir metal”, dijo Sekerak. “Y colocamos nuestra instrumentación allí adentro para practicar cómo calentarlo, para medir ese flujo de calor”.
La idea es generar suficiente margen en cada sistema crítico para permitir cualquier incógnita que el planeta pueda arrojar sobre la esfera. Garvin explicó: "Hemos construido… mucho pensamiento de ingeniería y reducción de riesgos en la forma en que hacemos esto".
Esto incluso afecta la forma en que se recopilarán los datos. “Si tenemos un buen día en Venus, probablemente obtendremos 500 imágenes de descenso”, dijo. “Si tenemos el peor día absoluto conocido por la humanidad, probablemente recuperaremos 35. Pero 35 es mucho más de lo que necesitamos para hacer este tipo de mapeo”. Por supuesto, más imágenes significan más información, y eso es preferible ya que permite más ciencia. Pero incluso en las peores condiciones, encontrarán información invaluable.
Siempre algo nuevo que aprender
Visitar Venus es un desafío enorme, incluso para los ambiciosos estándares de las grandes misiones espaciales. Pero la recompensa potencial en términos de lo que podemos aprender es enorme.
Aprender sobre Venus será fascinante por sí mismo. Pero también es importante para nuestra comprensión de los exoplanetas. A medida que misiones como el telescopio espacial James Webb descubren e investigan nuevos planetas fuera de nuestro sistema solar, necesitaremos un punto de referencia para los planetas rocosos como la Tierra, Marte y Venus.
Tenemos una comprensión bastante sólida de las características esenciales de la Tierra y Marte, y al agregar datos de Venus, podremos comprender mucho mejor los planetas distantes.
“Venus se convertirá en un punto de calibración para los tipos de planetas grandes, rocosos y con atmósfera que podremos ver y comprender con Webb y los grandes telescopios que vienen más allá”, dijo Garvin.
Y, por supuesto, está el instinto más humano de aprender, explorar y viajar a lugares nuevos. “Esta es una de las razones por las que me encanta trabajar en estas misiones de exploración espacial: vamos a un lugar del que no sabemos mucho”, dijo Sekerak.
Hemos aprendido mucho sobre la construcción para los entornos de la Tierra y Marte, y ahora podemos tomar parte de ese conocimiento y aplicarlo en un lugar diferente. Construir para ese entorno ampliará nuestra tecnología, y visitarlo con una sonda puede comenzar a desentrañar algunos de sus misterios. Como dijo Sekerak, al visitar un nuevo entorno espacial, "siempre hay algo nuevo que puedes aprender".