Preparan nave espacial para navegar en la atmósfera de Venus

“EnVision, tal como se concibe actualmente, no puede llevarse a cabo sin esta larga fase de aerofrenado”, explica Thomas Voirin, director del estudio de EnVision de la ESA.

“La nave espacial se inyectará en la órbita de Venus a una altitud muy alta, aproximadamente a 250 000 km, luego debemos bajar a una órbita polar de 500 km de altitud para las operaciones científicas. Volando en un Ariane 62, no podemos permitirnos todo el propulsor adicional que se necesitaría para bajar nuestra órbita. En su lugar, reduciremos la velocidad a través de repetidos pases a través de la atmósfera superior de Venus, llegando tan bajo como 130 km desde la superficie”.

La nave espacial predecesora de EnVision, Expreso de Venus, realizó un aerofrenado experimental durante los últimos meses de su misión en 2014, recopilando datos valiosos sobre la técnica. Aerobraking fue utilizado operativamente por primera vez en 2017 por ExoMars Trace Gas Orbiter de ESA (TGO) para bajar su órbita alrededor del Planeta Rojo durante un período de 11 meses.

Thomas señala: “Aerofrenar alrededor de Venus va a ser mucho más desafiante que para TGO. Para empezar, la gravedad de Venus es unas 10 veces mayor que la de Marte. Esto significa que la nave espacial experimentará velocidades aproximadamente dos veces más altas que para TGO cuando atraviese 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 el doble de larga.

“Además de eso, también estaremos 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 hacia el espacio, que además debe ser tenido en cuenta. Luego, además de todo eso, nos dimos cuenta de que teníamos que contar con otro factor sobre las miles de órbitas que imaginamos, que anteriormente solo se experimentaba en la órbita terrestre baja: 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 sorpresa: las mantas térmicas de la nave espacial se habían erosionado gravemente.

El culpable resultó ser el oxígeno atómico altamente reactivo: átomos individuales de oxígeno en los límites de la atmósfera, el resultado de moléculas de oxígeno estándar del tipo que se encuentran justo encima del suelo que se rompen por la poderosa radiación ultravioleta del sol. Hoy en día, todas las misiones por debajo de los 1 000 km deben diseñarse para resistir el oxígeno atómico, como los Copernnicus Sentinels de observación de la Tierra de Europa o cualquier equipo construido para la Estación Espacial Internacional.

Las observaciones espectrales del brillo del aire sobre el planeta realizadas por orbitadores anteriores de Venus confirman que el oxígeno atómico también está muy extendido en la parte superior de la atmósfera de Venus, que es más de 90 veces más espesa que el aire que rodea la Tierra.

Thomas dice: “La concentración es bastante alta, con una pasada no importa tanto, pero después de 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 experiencia 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, LEOXforma parte de la Agencia Laboratorio de Materiales y Componentes Eléctricoscon sede en la ESA ESTEC centro técnico en los Países Bajos.

El ingeniero de materiales de la ESA, Adrian Tighe, explica: “LEOX genera oxígeno atómico a niveles de energía equivalentes a la velocidad orbital. El oxígeno molecular purificado se inyecta en una cámara de vacío con un rayo láser pulsante enfocado en él. Este 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, la sincronización del láser debe permanecer precisa en una escala de milisegundos y dirigida a una precisión medida en milésimas de milímetro, durante los cuatro meses de duración de esta campaña de prueba actual.

«Esta no es la primera vez que la instalación se utiliza para simular un entorno orbital extraterrestre: anteriormente hemos realizado pruebas de oxígeno atómico en materiales de matriz solar candidatos para la ESA. Misión de jugo, porque las observaciones telescópicas sugieren que se encontrará oxígeno atómico en las atmósferas de Europa y Ganímedes. Sin embargo, para EnVision, la temperatura elevada 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 revestimientos de diferentes partes de la nave espacial EnVision, incluido el aislamiento multicapa, las piezas de la antena y los elementos del rastreador de estrellas, se colocan dentro de una placa para exponerlos al haz LEOX de color púrpura brillante. Al mismo tiempo, esta placa se calienta para imitar el flujo térmico esperado, hasta 350°C.

Thomas agrega: «Queremos verificar que estas piezas sean resistentes a la erosión y que también mantengan sus propiedades ópticas, lo que significa que no se degradan ni se oscurecen, lo que podría tener efectos colaterales en términos de su comportamiento térmico, porque tenemos delicadas instrumentos científicos que deben mantener una temperatura determinada. 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 de EnVision, incluido el uso de una base de datos climática de Venus desarrollada a partir de los 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 prueba se esperan para finales de este año.

Acerca de EnVision

EnVision es una misión dirigida por la ESA en asociación con la NASA, que proporciona su instrumento de radar de apertura sintética, VenSAR y el apoyo de la red de espacio profundo para las fases críticas de la misión. EnVision utilizará una variedad de instrumentos para realizar observaciones holísticas de Venus desde su núcleo interno hasta la atmósfera superior para comprender mejor cómo el vecino más cercano de la Tierra en el Sistema Solar evolucionó de manera tan diferente.

EnVision ha sido seleccionada por el Comité del Programa Científico de la ESA como la quinta misión de clase media en el plan Cosmic Vision de la Agencia, cuyo lanzamiento está previsto para principios de la década de 2030.