Després de completar amb èxit la seua missió a la Lluna, la tripulació de Artemis II està a punt de tornar a la Terra. Els quatre astronautes han establit un nou rècord de distància recorreguda per l'ésser humà des de la Terra: 406 771 quilòmetres.
El seu viatge de retorn culminarà amb una reentrada a alta velocitat, hipersònica i extremadament calenta en l'atmosfera terrestre abans que la seua nau espacial amere en l'oceà Pacífic enfront de la costa de Califòrnia, aproximadament a les 8 de la vesprada del 10 d'abril, hora local (2 de la matinada del dissabte 11 d'abril segons l'hora peninsular d'Espanya).
La reentrada serà l'últim repte al qual haurà d'enfrontar-se la tripulació en la seua èpica missió de deu dies. Comporta molts perills, però la seua nau espacial està equipada amb una sèrie de tecnologies per a garantir la seua seguretat.
Una reentrada veloç
La càpsula Orión que transporta als astronautes d'Artemis II viatjarà a més d'11 km/s (40 000 km/h) quan abast l'atmosfera terrestre. Això és 40 vegades més ràpid del que viatja un avió de passatgers.
Si, en canvi, considerem l'energia cinètica, que és la que posseïx un objecte degut al seu moviment, en reentrar la càpsula Orión acumularà quasi 2 000 vegades més energia cinètica per quilogram de vehicle que un avió de passatgers.
Igual que qualsevol nau espacial que torna a casa, haurà de reduir la velocitat i disminuir la seua energia cinètica fins a quasi zero perquè es puguen desplegar els paracaigudes i puga aterrar de manera segura en la Terra.
Les naus espacials reduïxen esta energia realitzant una reentrada controlada a través de l'atmosfera superior del nostre planeta, on utilitzen la resistència aerodinàmica contra l'atmosfera com a fre per a desaccelerar.
A diferència d'un avió, que sol estar dissenyat per a ser aerodinàmic i minimitzar les forces de resistència amb la finalitat de reduir el consum de combustible, les naus espacials que reentren fan el contrari: estan concebudes per a ser el menys aerodinàmiques possible, amb la finalitat de maximitzar la resistència i ajudar-los a reduir la velocitat.
Esta desacceleració durant la reentrada pot ser extremadament brusca.
La desacceleració i l'acceleració se solen expressar en forces g –o “g”, per a abreujar–. Es tracta de la força de desacceleració o acceleració dividida per l'acceleració estàndard que tots sentim a causa de la gravetat terrestre. Un pilot de Fórmula 1 experimenta més de 5 g en prendre una corba, la qual cosa s'acosta a les forces g màximes que un ésser humà pot suportar sense desmaiar-se.
Les xicotetes càpsules de reentrada no tripulades, com l'OSIRIS-REx de la NASA, que va portar mostres de l'asteroide Bennu, simplement es llancen a l'atmosfera i desacceleren ràpidament. Estes entrades es produïxen molt ràpid, en menys d'un minut. Però les forces g en eixe cas poden ser superiors a 100, la qual cosa és acceptable per a vehicles robòtics, però no per als humans.
Els vehicles tripulats, com la càpsula Orión de la NASA, utilitzen forces de sustentació per a frenar l'entrada a temps. Això reduïx les forces g a nivells que els éssers humans poden suportar i fa que la reentrada dure diversos minuts.
Un reingrés molt calent
La càpsula Orión reentrarà en l'atmosfera movent-se a més de 30 vegades la velocitat del so. Llavors, una ona de xoc embolicarà la nau espacial, calfant l'aire a 10 000 °C o més, aproximadament el doble de la temperatura de la superfície del Sol.
La calor extrema convertix l'aire que travessa l'ona de xoc en un plasma carregat elèctricament. Això bloqueja temporalment els senyals de radi, per la qual cosa els astronautes no podran comunicar-se durant les fases més dures del seu descens.
Garantir una reentrada segura
Les naus espacials sobreviuen a l'entorn extremadament hostil de la reentrada gràcies a un acurat disseny de les seues trajectòries per a minimitzar el calfament en la mesura que siga possible.
La nau també porta un sistema de protecció tèrmica. Es tracta, en la pràctica, d'una manta aïllant que protegix la nau espacial i a la seua tripulació o càrrega del dur flux hipersònic que es produïx en l'exterior.
El sistema de protecció tèrmica està dissenyat a mesura per al vehicle i la seua missió. Els materials que poden suportar més calor es col·loquen en les superfícies on es preveu que l'entorn siga més hostil i estan dissenyats per a degradar-se durant la reentrada, però aguantaran. La resplendor roent que experimentaran també irradia calor de tornada a l'atmosfera en comptes de que siga absorbit per la nau espacial.
Este disseny precís és el que permet a Artemis travessar l'aire a 10 000 °C mentres manté una temperatura màxima de la superfície de l'escut tèrmic de solo uns 3 000 °C.
La majoria de les naus espacials estan protegides per materials anomenats ablatius, que solen estar fabricats amb fibra de carboni i un tipus de cola coneguda com a resina fenòlica. Estos escuts tèrmics ablatius absorbixen energia i injecten un gas relativament fred en el flux al llarg de la superfície del vehicle, la qual cosa ajuda a refredar tot.
Concretament, el material de l'escut tèrmic ablatiu utilitzat en la càpsula Orión es diu AVCOAT i és una versió del material que va protegir la càpsula Apol·lo quan va tornar de la Lluna a la fi de la dècada de 1960 i principis de la de 1970.
Encara que la missió Artemis I –un vol de prova no tripulat– va ser un gran èxit, l'ablació de l'escut tèrmic durant la reentrada va ser molt major de l'esperat. Grans trossos de material es van desprendre en alguns punts.
Després de llargues inspeccions i anàlisis, els enginyers van decidir seguir avant amb el mateix tipus d'escut tèrmic en la missió Artemis II. La hipòtesi és que Artemis I va perdre fragments d'este recobriment degut a una acumulació de pressió a l'interior del material durant el “salt” de la seua entrada, fase en la qual la nau espacial va eixir de l'atmosfera per a refredar-se abans de realitzar una segona entrada en la qual va aterrar.
Per a Artemis II, els enginyers han decidit modificar lleugerament la trajectòria, incloent-hi un “salt” menys definit.
És increïble veure el que la NASA i els astronautes han aconseguit en esta missió fins ara. Però, com molts altres, em sentiré alleujat quan els veja tornar sans i estalvis a la Terra.
Chris James, Sènior Lecturer, Centre for Hypersonics, School of Mechanical and Mining Engineering, The University of Queensland
Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.
*Ho pots lletgir perquè som Creative Commons