Un nuevo concepto de láser podría revolucionar la forma en que exploramos los mundos helados de nuestro sistema solar.
Cuando los científicos sueñan con explorar los océanos ocultos bajo las cortezas heladas de lunas como Europa de Júpiter o Encélado de Saturno (u otras regiones heladas, como los cráteres lunares permanentemente en sombra o los suelos con hielo cerca de los polos marcianos), un problema importante se interpone en el camino: perforar el hielo.
Los taladros y sondas de fusión tradicionales son pesados, complejos y consumen grandes cantidades de energía. Ahora, investigadores del Instituto de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Técnica de Dresde (Alemania) han desarrollado una nueva y prometedora solución: un taladro de hielo basado en láser que puede perforar canales estrechos y profundos en el hielo manteniendo bajos los requisitos de masa y energía.
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“Hemos creado un taladro láser que permite un acceso profundo, estrecho y energéticamente eficiente al hielo sin aumentar la masa del instrumento, algo que los taladros mecánicos y las sondas de fusión no pueden lograr”, dijo a Space.com en un correo electrónico Martin Koßagk, autor principal del estudio.
Los taladros mecánicos se vuelven más pesados con la profundidad a medida que extienden las varillas hacia abajo, y las sondas de fusión dependen de cables largos que consumen mucha energía. El taladro láser evita ambos problemas manteniendo todos los instrumentos en la superficie. Esta tecnología envía un rayo concentrado al hielo, vaporizándolo en lugar de derretirlo, un proceso conocido como sublimación.
El vapor resultante escapa hacia arriba a través de un pozo estrecho lo suficientemente ancho como para recolectar muestras de gas y polvo. Luego, los instrumentos en la superficie pueden analizar estas muestras en busca de composición química y densidad, proporcionando pistas valiosas sobre las propiedades térmicas y la historia de formación del cuerpo cósmico que se está explorando.
Si bien los láseres no son las herramientas con mayor eficiencia energética, el rayo vaporiza un simple agujero de hielo, lo que significa que el taladro utiliza mucha menos energía total que los calentadores eléctricos. También funciona más rápido en capas ricas en polvo que ralentizan las sondas de fusión tradicionales, lo que le permite perforar mucho más profundamente sin agregar masa o energía.
Por lo tanto, un instrumento basado en láser “hace que la exploración del subsuelo de lunas heladas sea más realista, permitiendo análisis de alta resolución de la composición y densidad del hielo, mejorando los modelos de transporte de calor y profundidad del océano en cuerpos como Europa y Encelado, y apoyando estudios de formación de corteza”, dijo Koßagk. “En la Luna o en Marte, el taladro láser también puede extraer material del subsuelo, como el polvo de los cráteres con hielo o del suelo, lo que permite la reconstrucción geológica más allá de las capas superficiales”.
El concepto de taladro láser del equipo funciona a aproximadamente 150 vatios (W), con una masa proyectada de aproximadamente 9 libras (4 kilogramos), que permanece constante independientemente de la profundidad, ya sea 33 pies (10 metros) o 6 millas (10 kilómetros). Sin embargo, Koßagk observó que un espectrómetro de masas para analizar el gas y los instrumentos para la separación y análisis del polvo aumentarían la necesidad de potencia y masa.
Las primeras pruebas son prometedoras. El prototipo perforó muestras de hielo de aproximadamente 20 centímetros (8 pulgadas) de largo en condiciones criogénicas y de vacío durante experimentos de laboratorio, y a mayores profundidades en pruebas de campo en los Alpes y el Ártico, alcanzando profundidades de más de un metro en la nieve. En pruebas con 20 vatios de potencia láser, el sistema alcanzó velocidades de perforación cercanas a 1 metro por hora y hasta 3 metros por hora en hielo suelto o polvoriento.
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Un concepto basado en láser no está exento de limitaciones. En piedra o capas de polvo en las que no haya hielo que pueda vaporizarse se detendría el proceso de perforación. Y, en esos casos, sería necesario perforar un nuevo pozo desde la superficie que sortee el obstáculo.
“Por eso es importante utilizar el taladro láser junto con otros instrumentos de medición”, dijo Koßagk a Space.com. “Los instrumentos de radar podrían observar el hielo y localizar obstáculos más grandes, que el taladro láser podría superar”.
Las grietas llenas de agua también plantearían un desafío. Cuando se perfora uno, el taladro láser tendría que bombear agua a medida que fluye antes de poder continuar perforando más profundamente. Sin embargo, perforar en estas áreas podría ayudar a identificar la química de hábitats potenciales para la vida microbiana pasada o presente. Si alguna vez existieron bacterias, sus restos podrían detectarse en las muestras recolectadas de un pozo perforado con láser.
Para hacer posible este tipo de taladro láser, los siguientes pasos serían miniaturizar el sistema, desarrollar una unidad de separación de polvo y completar pruebas de calificación espacial. Una versión de carga útil compacta podría algún día viajar a bordo de un módulo de aterrizaje hasta una luna helada, acercando a los científicos a descifrar los secretos congelados bajo superficies extraterrestres, dijo Koßagk.
Mientras tanto, en la Tierra, la misma herramienta podría incluso ayudar a predecir avalanchas. Las pruebas de campo en cooperación con el Centro de Investigación Forestal de Austria y el Departamento de Riesgos Naturales en los Alpes y el Ártico demostraron que el taladro láser puede medir la densidad de la nieve sin cavar un hoyo y, montado en un dron, podría recopilar datos de pendientes peligrosas donde los humanos no pueden caminar con seguridad, dijo Koßagk.
Ya sea en la Tierra o en el espacio profundo, el objetivo es el mismo: mirar debajo de la superficie y comprender lo que se esconde en el hielo.
Los hallazgos iniciales del equipo se publicaron el 8 de septiembre en la revista Acta Astronautica.