Pero antes de ponerse manos a la obra, la nave espacial del tamaño de una furgoneta necesita «aerofrenar», bajando su órbita con miles de pasajes a través de la atmósfera caliente y espesa del planeta durante un máximo de dos años. Una instalación única de la ESA está probando actualmente materiales de naves espaciales candidatas para verificar que puedan soportar con seguridad este desafiante proceso de surf atmosférico.
«EnVision tal como se concibe actualmente no puede tener lugar sin esta larga fase de aerofrenado», explica thomas Voirin, director del estudio EnVision de la ESA.
«La nave espacial se inyectará en la órbita de Venus a una altitud muy alta, a aproximadamente 250 000 km, luego necesitamos bajar a una órbita polar de 500 km de altitud para las operaciones científicas. Volando en un Ariane 62, no podemos permitirnos todo el propelente adicional que se necesitaría para bajar nuestra órbita. En cambio, nos desaceleraremos a través de repetidos pases a través de la atmósfera superior de Venus, llegando tan bajo como a 130 km de la superficie».
La nave espacial predecesora de EnVision, Venus Express, realizó aerofrenado experimental durante los últimos meses de su misión en 2014, recopilando datos valiosos sobre la técnica. El aerofrenado fue utilizado operativamente por primera vez en 2017 por el ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) de la ESA para reducir su órbita alrededor del Planeta Rojo durante un período de 11 meses.
Thomas señala: «El aerofrenado alrededor de Venus va a ser mucho más desafiante que para TGO. Para empezar, la gravedad de Venus es aproximadamente 10 veces mayor que la de Marte. Esto significa que la nave espacial experimentará velocidades aproximadamente dos veces más altas que las de TGO al pasar por la atmósfera, y el calor se genera como un cubo de velocidad. En consecuencia, EnVision tiene que apuntar a un régimen de aerofrenado más bajo, lo que resulta en una fase de aerofrenado dos veces más larga.
«Además de eso, también vamos a estar mucho más cerca del Sol, experimentando alrededor del doble de la intensidad solar de la Tierra, con las espesas nubes blancas de la atmósfera reflejando una gran cantidad de luz solar directamente al espacio, que también debe tenerse en cuenta. Luego, además de todo eso, nos dimos cuenta de que teníamos que contar con otro factor sobre las miles de órbitas que prevemos, que anteriormente solo se experimentaban en la órbita baja de la Tierra: el oxígeno atómico altamente erosivo».
Este es un fenómeno que permaneció desconocido durante las primeras décadas de la era espacial. Fue solo cuando los primeros vuelos del transbordador espacial regresaron de la órbita baja a principios de la década de 1980 que los ingenieros recibieron una conmoción: las mantas térmicas de la nave espacial habían sido severamente erosionadas.
El culpable resultó ser el oxígeno atómico altamente reactivo: átomos individuales de oxígeno en los márgenes de la atmósfera, el resultado de moléculas de oxígeno estándar del tipo que se encuentra justo por encima del suelo que se rompen por la poderosa radiación ultravioleta del Sol. Hoy en día, todas las misiones por debajo de aproximadamente 1 000 km deben diseñarse para resistir el oxígeno atómico, como los Centinelas Copernnicus de observación de la Tierra de Europa o cualquier hardware construido para la Estación Espacial Internacional.
Las observaciones espectrales realizadas por orbitadores pasados de Venus de resplandor de aire sobre el planeta confirman que el oxígeno atómico también está muy extendido en la parte superior de la atmósfera venusiana, que es más de 90 veces más gruesa que el aire circundante de la Tierra.
Thomas dice: «La concentración es bastante alta, con una sola pasada no importa tanto, pero miles de veces comienza a acumularse y termina con un nivel de fluencia de oxígeno atómico que tenemos que tener en cuenta, equivalente a lo que experimentamos en órbita terrestre baja, pero a temperaturas más altas».
El equipo de EnVision recurrió a una instalación europea única construida específicamente por la ESA para simular el oxígeno atómico en órbita. La Instalación de Órbita Terrestre Baja, LEOX, forma parte del Laboratorio de Materiales y Componentes Eléctricos de la Agencia, con sede en el centro técnico ESTEC de la ESA en los Países Bajos.
El ingeniero de materiales de la ESA, Adrian Tighe, explica: «LEOX genera oxígeno atómico a niveles de energía que son equivalentes a la velocidad orbital. El oxígeno molecular purificado se inyecta en una cámara de vacío con un rayo láser pulsante enfocado en ella. Esto convierte el oxígeno en un plasma caliente cuya rápida expansión se canaliza a lo largo de una boquilla cónica. Luego se disocia para formar un haz altamente energético de oxígeno atómico.
«Para funcionar de manera confiable, el tiempo láser debe mantenerse preciso a una escala de milisegundos, y dirigido a una precisión medida en milésimas de milímetro, a lo largo de los cuatro meses de duración de esta campaña de prueba actual.
«Esta no es la primera vez que la instalación se ha utilizado para simular un entorno orbital extraterrestre: hemos realizado previamente pruebas de oxígeno atómico en materiales candidatos de paneles solares para la misión Juice de la ESA, porque las observaciones telescópicas sugieren que se encontrará oxígeno atómico en las atmósferas de Europa y Ganímedes. Sin embargo, para EnVision, el aumento de la temperatura durante el aerofrenado plantea un desafío adicional, por lo que la instalación se ha adaptado para simular este entorno venusiano más extremo».
Una gama de materiales y recubrimientos de diferentes partes de la nave espacial EnVision, incluido el aislamiento multicapa, las partes de la antena y los elementos de seguimiento de estrellas se colocan dentro de una placa para exponerse al haz LEOX que brilla en púrpura. Al mismo tiempo, esta placa se calienta para imitar el flujo térmico esperado, hasta 350 ° C.
Thomas añade: «Queremos comprobar que estas piezas son resistentes a la erosión, y también mantienen sus propiedades ópticas, lo que significa que no se degradan ni se oscurecen, lo que podría tener efectos en cadena en términos de su comportamiento térmico, porque tenemos instrumentos científicos delicados que deben mantener una temperatura establecida. También debemos evitar la descamación o la desgasificación, que conducen a la contaminación».
Esta campaña de prueba actual es parte de un panel más grande que analiza el aerofrenado EnVision, incluido el uso de una base de datos climática de Venus desarrollada a partir de resultados de misiones anteriores para estimar la variabilidad local de la atmósfera del planeta para establecer márgenes seguros para la nave espacial.
Los resultados de esta campaña de pruebas se esperan para finales de este año.
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