Si el futuro se desarrolla como pronostican algunos expertos, la Luna será un puerto espacial muy activo.
Los vehículos entrarán y saldrán a toda velocidad de forma rutinaria. Cohete que despega de la superficie lunarparte de una cadena de suministro que abastece a los campamentos humanos, equipa las instalaciones científicas y coloca el equipo para las operaciones mineras extraterrestres. En un principio, se prevé que sea un alboroto de cohetes con polvo y escombros voladores. Una reunión reciente de expertos se enfrentó a lo que sabemos y lo que no sabemos sobre cómo manejar operaciones “similares a las de un aeropuerto” en La luna.
El Consorcio de Innovación de la Superficie Lunar celebró un taller sobre instalaciones de lanzamiento y aterrizaje lunar el 23 de julio de 2024. El consorcio está administrado por el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland. Especialistas del gobierno, la universidad y el sector privado compartieron ideas sobre el diseño, el análisis y la construcción de instalaciones de lanzamiento y aterrizaje, así como también identificaron brechas tecnológicas para establecer un Presencia sostenible en la Luna.
Esfuerzo grupal
Se avecinan decisiones importantes sobre cómo crear la infraestructura necesaria si El socio celestial de la Tierra se convertirá en una importante vía de comunicación y mantendrá allí cualquier habitación humana a largo plazo.
“Establecer una presencia humana en la superficie lunar es un esfuerzo colectivo”, afirmó Ian Jehn, ingeniero estructural especializado en infraestructura segura y sólida para la Luna. También es candidato a doctorado en la Escuela de Minas de Colorado.
“Es probable que antes de que haya una presencia humana importante en la Luna, sea necesario lanzar y transportar una masa significativa a la superficie lunar”, dijo Jehn a Space.com. “Necesitamos que profesionales de todas las áreas de la industria colaboren para producir una infraestructura lunar exitosa y de buen rendimiento”.
Columnas de cohetes
Jehn prevé vehículos de lanzamiento y aterrizaje más grandes en la Luna. Esas idas y venidas significan columnas de cohetes más grandes que interactuarán con el paisaje lunar.
“Mitigar los efectos de las fuerzas de la columna de cohetes es actualmente un área de estudio popular, ya que el gas de la columna tiene el potencial de causar cráteres en la superficie y generar eyecciones de regolito a alta velocidad que pueden dañar la estructura del vehículo o cualquier cosa en las inmediaciones de la zona de aterrizaje”, dijo.
Para frenar esos efectos de explosión, en la lista de temas de discusión se encuentra la construcción y el uso de plataformas de lanzamiento y aterrizaje, o LLP por sus siglas en inglés. Cualquier diseñador de superficies de plataformas de aterrizaje que se precie debe saber a qué clase de nave pertenece un módulo de aterrizaje lunar.
Reutilizable, fácilmente reparable.
“Es probable que las LLP deban ser reutilizables o fácilmente reparables”, dijo Jehn, “para garantizar el transporte seguro y eficiente de personas, activos de la misión y material hacia y desde la superficie de la luna”.
Los sistemas LLP pueden aprovechar algunas prácticas de diseño y construcción muy consolidadas de la industria de la ingeniería civil terrestre, explica Jehn. Los ingenieros civiles y estructurales han estado diseñando sistemas similares a los que se están utilizando actualmente para las zonas de aterrizaje de SpaceX Falcon y Blue Origin New Shepard.
Cualquier sistema estructural depende de dos componentes para permitir el diseño, dijo Jehn, y estos son las condiciones de carga anticipadas y las propiedades del material.
Jehn dijo que se está realizando un esfuerzo importante para desarrollar materiales estructurales para el terreno lunar. Es un trabajo en curso.
Pero eso también es una trampa.
Estructuras robustas
“El problema es la naturaleza exclusiva de los criterios de carga de la columna de humo de los cohetes”, señala Jehn. Sin embargo, en la actualidad, estos criterios están siendo ocultados por los Servicios de Carga Lunar Comercial (CLPS) de la NASA y los fabricantes de sistemas de aterrizaje tripulado, dijo, y solo se puede acceder a ellos mediante acuerdos de confidencialidad legalmente vinculantes.
Con ese fin, Jehn participa en el trabajo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, que ha iniciado el desarrollo de las directrices de “Ingeniería, diseño, análisis y construcción de infraestructuras lunares”.
Sobre la mesa se discuten cuestiones como qué tipo de construcción y materiales se requieren, los efectos ambientales y el tratamiento del regolito y las rocas lunares para asegurar la fabricación de estructuras resistentes.
Jehn señala que es habitual que las columnas de humo de los cohetes durante las operaciones de despegue y aterrizaje verticales apliquen presión física y flujo de calor a la superficie de interacción entre el aterrizaje y el lanzamiento. Diferentes toberas, orientaciones y tamaños de cohetes darán lugar a distintas concentraciones de presión y calor.
“En mi opinión, ahora la prioridad es establecer las condiciones de carga. No se puede diseñar un sistema estructural, como un puente de carga lunar, sin criterios de carga”, dijo Jehn. Una analogía sería intentar diseñar un paso elevado de una autopista sin saber qué tipo de vehículo circula por ese puente, dijo.
Fuente de especulación
Considerando que hubo seis misiones Apolo entre 1969 y 1972 que depositaron y trajeron de regreso sanos y salvos a una docena de astronautas, ¿por qué tanto alboroto y furia sobre el aterrizaje y la salida de la Luna?
Los aterrizajes de las misiones Apolo generaron más preguntas que respuestas, responde John Connolly, profesor de práctica en el departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Texas A&M. Su carrera anterior en la NASA, de 35 años de duración, incluyó trabajo en el programa del sistema de aterrizaje humano Artemis de la agencia espacial, donde también trabajó con contratistas de módulos de aterrizaje lunares comerciales.
“Sabemos que hay una capa superior de regolito lunar suelto que será arrastrada por casi cualquier sistema de propulsión de un módulo de aterrizaje. Pero la mecánica de lo que sucede debajo de ella (a medida que la capa de regolito se vuelve más densa y más cohesiva con la profundidad) sigue siendo fuente de especulación y de horas de simulación por ordenador”, explica Connolly a Space.com.
Cambio de densidad
El regolito “esponjoso” de la superficie de la luna es una capa que cubre un suelo lunar más denso y “duro” que se encuentra a menos de unos pocos pies por debajo, informa Connolly.
“Saber que las propiedades geotécnicas de la superficie lunar cambian rápidamente en este primer metro complica nuestros esfuerzos para modelar la superficie porque hay que tener en cuenta los cambios en la densidad, la cohesión, la porosidad y la resistencia al corte”, dijo Connolly. “La columna de humo del motor de un módulo lunar, después de desprenderse de la capa superior suelta de regolito, seguirá interactuando con el regolito expuesto de diversas maneras”.
No es un problema fácil de modelar analíticamente, añadió Connolly. Es necesario modelar correctamente el flujo de gas de la columna de gas del motor y luego modelar cómo interactuará el gas con el regolito lunar.
“Por lo tanto, prácticamente es necesario modelar cada partícula de regolito individualmente a medida que se desprende de la matriz del suelo, se acelera en la columna, choca con otras partículas y finalmente termina en una trayectoria balística”, dijo Connolly. Y esto requeriría una enorme cantidad de tiempo de ejecución de dinámica de fluidos computacional en una supercomputadora, dijo.
¿Solución en aerosol?
¿Necesitamos preparar una plataforma de lanzamiento y aterrizaje para evitar que los módulos de aterrizaje sigan erosionando el regolito lunar y expulsándolo a altas velocidades hacia valiosos equipos de la superficie cercana?
“Creo que la respuesta es sí, pero tal vez no de inmediato”, aconseja Connolly. Inicialmente, se puede utilizar la topografía de la propia Luna como “berma” para proteger los activos de la superficie, dijo. Simplemente hay que elegir un lugar de aterrizaje que tenga una colina o una cresta entre él y otros bienes y servicios extraterrestres.
Pero si desea continuar aterrizando en el mismo sitio, es posible que tenga que tratarlo para eliminar los efectos de las columnas de humo del cohete de aterrizaje, dijo Connolly.
Si ese es el caso, podrías pedir que te apliquen “Rhino Snot” (sí, lo has leído bien). Los militares lo llamaron Rhino Snot, un polímero comercial en aerosol que se utiliza para tratar áreas propensas al polvo y que aumenta la resistencia del suelo interconectando las partículas del mismo.
“Los militares rocían polímeros líquidos para estabilizar rápidamente caminos de tierra y plataformas de aterrizaje para helicópteros, y una versión de esta tecnología apta para uso lunar podría usarse para plataformas de aterrizaje”, dijo Connolly.
Si se necesita una solución a más largo plazo, continuó Connolly, como en el caso de una base lunar permanente con módulos que llegan y salen regularmente, un tratamiento de superficie como una almohadilla de regolito profundamente sinterizado puede ser la respuesta correcta.
Éxito de la misión
“Los aterrizajes seguros y confiables, y eventualmente los lanzamientos, en la Luna son necesarios para el éxito de la misión”, dijo Rob Mueller, tecnólogo senior del laboratorio de mecánica granular y operaciones de regolito dentro del Swamp Works de la NASA en el Centro Espacial Kennedy en Florida.
Mueller dijo a Space.com que los datos generados por los módulos de aterrizaje del Servicio de Cargas Útiles Lunares Comerciales (CLPS) de la NASA proporcionarán nuevos conocimientos sobre cómo las columnas de los motores de los cohetes impactan en los materiales de la superficie lunar.
Con ese conocimiento en la mano, lo que es posible a largo plazo está claro, dijo Mueller.
“En el futuro veremos el desarrollo de puertos espaciales en la superficie lunar y en otros destinos orbitales y de superficie del sistema solar. Utilizarán combustibles derivados in situ, como hidrógeno y oxígeno del agua”, dijo Mueller. “Estos son los primeros pasos para abrir las rutas de transporte del sistema solar a la humanidad y a los robots mineros de recursos”.