Tras completar con éxito su misión a la Luna, la tripulación de Artemis II está a punto de regresar a la Tierra. Los cuatro astronautas han establecido un nuevo récord de distancia recorrida por el ser humano desde la Tierra: 406 771 kilómetros.
Su viaje de regreso culminará con una reentrada a alta velocidad, hipersónica y extremadamente caliente en la atmósfera terrestre antes de que su nave espacial americe en el océano Pacífico frente a la costa de California, aproximadamente a las 8 de la tarde del 10 de abril, hora local (2 de la madrugada del sábado 11 de abril según la hora peninsular de España).
La reentrada será el último reto al que tendrá que enfrentarse la tripulación en su épica misión de diez días. Conlleva muchos peligros, pero su nave espacial está equipada con una serie de tecnologías para garantizar su seguridad.
Una reentrada veloz
La cápsula Orión que transporta a los astronautas de Artemis II viajará a más de 11 km/s (40 000 km/h) cuando alcance la atmósfera terrestre. Esto es 40 veces más rápido de lo que viaja un avión de pasajeros.
Si, en cambio, consideramos la energía cinética, que es la que posee un objeto debido a su movimiento, al reentrar la cápsula Orión acumulará casi 2 000 veces más energía cinética por kilogramo de vehículo que un avión de pasajeros.
Al igual que cualquier nave espacial que regresa a casa, tendrá que reducir la velocidad y disminuir su energía cinética hasta casi cero para que se puedan desplegar los paracaídas y pueda aterrizar de forma segura en la Tierra.
Las naves espaciales reducen dicha energía realizando una reentrada controlada a través de la atmósfera superior de nuestro planeta, donde utilizan la resistencia aerodinámica contra la atmósfera como freno para desacelerar.
A diferencia de un avión, que suele estar diseñado para ser aerodinámico y minimizar las fuerzas de resistencia con el fin de reducir el consumo de combustible, las naves espaciales que reentran hacen lo contrario: están concebidas para ser lo menos aerodinámicas posible, con el fin de maximizar la resistencia y ayudarles a reducir la velocidad.
Esta desaceleración durante la reentrada puede ser extremadamente brusca.
La desaceleración y la aceleración se suelen expresar en fuerzas g –o “g”, para abreviar–. Se trata de la fuerza de desaceleración o aceleración dividida por la aceleración estándar que todos sentimos debido a la gravedad terrestre. Un piloto de Fórmula 1 experimenta más de 5 g al tomar una curva, lo que se acerca a las fuerzas g máximas que un ser humano puede soportar sin desmayarse.
Las pequeñas cápsulas de reentrada no tripuladas, como la OSIRIS-REx de la NASA, que trajo muestras del asteroide Bennu, simplemente se lanzan a la atmósfera y desaceleran rápidamente. Estas entradas se producen muy rápido, en menos de un minuto. Pero las fuerzas g en ese caso pueden ser superiores a 100, lo cual es aceptable para vehículos robóticos, pero no para los humanos.
Los vehículos tripulados, como la cápsula Orión de la NASA, utilizan fuerzas de sustentación para frenar la entrada a tiempo. Esto reduce las fuerzas g a niveles que los seres humanos pueden soportar y hace que la reentrada dure varios minutos.
Los cuatro astronautas de Artemis II establecieron un nuevo récord de distancia recorrida por el ser humano desde la Tierra, alcanzando una distancia máxima de 406 771 kilómetros. NASA
Un reingreso muy caliente
La cápsula Orión reentrará en la atmósfera moviéndose a más de 30 veces la velocidad del sonido. Entonces, una onda de choque envolverá la nave espacial, calentando el aire a 10 000 °C o más, aproximadamente el doble de la temperatura de la superficie del Sol.
El calor extremo convierte el aire que atraviesa la onda de choque en un plasma cargado eléctricamente. Esto bloquea temporalmente las señales de radio, por lo que los astronautas no podrán comunicarse durante las fases más duras de su descenso.
Garantizar una reentrada segura
Las naves espaciales sobreviven al entorno extremadamente hostil de la reentrada gracias a un cuidadoso diseño de sus trayectorias para minimizar el calentamiento en la medida de lo posible.
La nave también lleva un sistema de protección térmica. Se trata, en la práctica, de una manta aislante que protege a la nave espacial y a su tripulación o carga del duro flujo hipersónico que se produce en el exterior.
El sistema de protección térmica está diseñado a medida para el vehículo y su misión. Los materiales que pueden soportar más calor se colocan en las superficies donde se prevé que el entorno sea más hostil y están diseñados para degradarse durante la reentrada, pero aguantarán. El resplandor al rojo vivo que experimentarán también irradia calor de vuelta a la atmósfera en vez de que sea absorbido por la nave espacial.
Este diseño preciso es lo que permite a Artemis atravesar el aire a 10 000 °C mientras mantiene una temperatura máxima de la superficie del escudo térmico de solo unos 3 000 °C.
Imagen de la nave espacial Hayabusa de la JAXA reentrando en la atmósfera terrestre el 13 de junio de 2010, con el cuerpo de la nave ardiendo detrás de ella. NASA
La mayoría de las naves espaciales están protegidas por materiales llamados ablativos, que suelen estar fabricados con fibra de carbono y un tipo de pegamento conocido como resina fenólica. Estos escudos térmicos ablativos absorben energía e inyectan un gas relativamente frío en el flujo a lo largo de la superficie del vehículo, lo que ayuda a enfriar todo.
Concretamente, el material del escudo térmico ablativo utilizado en la cápsula Orión se llama AVCOAT y es una versión del material que protegió la cápsula Apolo cuando regresó de la Luna a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970.
Aunque la misión Artemis I –un vuelo de prueba no tripulado– fue un gran éxito, la ablación del escudo térmico durante la reentrada fue mucho mayor de lo esperado. Grandes trozos de material se desprendieron en algunos puntos.
El escudo térmico de la nave espacial Orión de la NASA tras la misión Artemis I. NASA
Tras largas inspecciones y análisis, los ingenieros decidieron seguir adelante con el mismo tipo de escudo térmico en la misión Artemis II. La hipótesis es que Artemis I perdió fragmentos de este recubrimiento debido a una acumulación de presión en el interior del material durante el “salto” de su entrada, fase en la que la nave espacial salió de la atmósfera para enfriarse antes de realizar una segunda entrada en la que aterrizó.
Para Artemis II, los ingenieros han decidido modificar ligeramente la trayectoria, incluyendo un “salto” menos definido.
Es increíble ver lo que la NASA y los astronautas han logrado en esta misión hasta ahora. Pero, como muchos otros, me sentiré aliviado cuando los vea regresar sanos y salvos a la Tierra.
Chris James recibe financiación del Consejo Australiano de Investigación, el Grupo de Ciencia y Tecnología de Defensa de la Commonwealth, la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de Estados Unidos.
