El passat 17 d'abril, la companyia SpaceX es va quedar a les portes de culminar una de les grans fites de l'exploració espacial: la primera prova de vol orbital de la nau Starship i el coet espacial més potent mai creat, el Super Heavy. A tot just 40 segons per al llançament, un problema de congelació en una de les vàlvules de pressurització del coet va suposar la cancel·lació del vol fins a la pròxima finestra de llançament, prevista per al 20 d'abril.
Si tot surt segons l'esperat, el Starship serà impulsat pel Super Heavy durant aproximadament 3 minuts. A partir d'aquí, tots dos es desacoblaran. El coet amararà en la mar prop del Golf de Mèxic, mentre que l'aeronau continuarà la seva trajectòria fins a aconseguir una òrbita terrestre entre 150 i 250 km d'altitud. Després d'hora i mitja de vol (sense arribar a completar l'òrbita) caurà en l'oceà Pacífic, a uns 400 km de l'illa de Kauai, a Hawaii.
No obstant això, l'ambició de SpaceX i del seu director general, Elon Musk, és la d'arribar a Mart amb una missió tripulada. No només arribar, sinó també tornar a la Terra, la qual cosa suposa un repte tecnològic mai afrontat en la història de l'exploració espacial.
Starship Mission to Mars
L’important és tornar de Mart
Un dels principals reptes és el disseny del seu escut tèrmic. El principal requisit que ha de complir, a banda del de garantir la supervivència de la càrrega útil o dels astronautes que transporta, és permetre la reutilització de la nau per al retorn a la Terra. Fins avui, tots els vehicles espacials que han utilitzat un escut tèrmic similar han estat exposats a una única maniobra de reentrada en l'atmosfera terrestre. En aquest cas, hauria de suportar dos: la marciana i la de retorn a la superfície terrestre.
Els programes espacials han emprat càpsules de reentrada amb dissenys similars des de fa dècades, incloent-hi les càpsules Mercury, Gemini, Apollo, Orion i la càpsula Dragon de SpaceX. Totes elles necessiten un escut tèrmic per a dissipar la calor generada durant la reentrada, que pot representar fins al 50% de l'estructura d'aquesta.
Els escuts tèrmics fan servir materials ablatius, que es degraden per dissipar la calor transmesa a la càpsula pel corrent de gasos a alta velocitat que envolten el vehicle. Durant la reentrada, es poden aconseguir temperatures de fins a 3 000 °C en la superfície de l'escut, una cosa incompatible amb la vida dels astronautes a l'interior. La resposta combinada del material ablatiu i la dissipació de calor per radiació hauria d'evitar que l'estructura de la càpsula i el seu interior se sobreescalfi.
Les càpsules de reentrada podrien servir per a un viatge d'anada i tornada? Realment no. Aquestes no són reutilitzables, a causa de l'alta degradació que pateixen durant el vol.
Durant els anys setanta, el programa del transbordador espacial Space Shuttle va significar el primer pas per al desenvolupament de vehicles de reentrada reutilitzables. L'objectiu de l'escut tèrmic en tots dos casos era el mateix: minimitzar la transferència de calor a l'interior del vehicle. No obstant això, els mitjans utilitzats diferien significativament perquè el transbordador espacial seguia una trajectòria basada en un vol amb sustentació, menys exigent a escala tèrmica, que aconseguia temperatures més baixes.
El disseny de l'escut es va basar en la utilització de diverses varietats d'aïllants tèrmics, majoritàriament en forma de taulells, que permetien una fàcil substitució després de la reentrada. Aquests taulells consistien en un farciment de fibra de sílice molt poc conductiu (pràcticament format per un 90% d'aire) als quals se'ls dotava de la rigidesa necessària mitjançant un recobriment amb propietats que permetien maximitzar la dissipació de calor per radiació.
El Space Shuttle es reutilitzava després del corresponent manteniment entre vols i, en cas que fos necessari, els taulells danyats eren reemplaçats per uns altres exactament iguals.
En un viatge a Mart en què el Starship haurà de fer una maniobra d'entrada a l'atmosfera marciana, és d'esperar que part de l'escut tèrmic es deteriori a causa de les altes temperatures a les quals es veurà exposat. Seria necessari un procés de reparació abans de tornar a la Terra.
Tanmateix, això no estava en els plans d’Elon Musk. En paraules seves: «El Starship necessita estar llest per volar de nou immediatament després de l'aterratge. Zero remodelació.»
Una nau espacial amb doble pell
La primera idea que va rondar el cap dels enginyers del SpaceX era absolutament revolucionària: una nau d'acer inoxidable completament exposat, sense rastre d'un escut tèrmic que protegís la nau durant l'entrada a l'atmosfera. De quina manera es pretenia aconseguir?
Si prenem com a referència la mateixa naturalesa, podríem preguntar-nos com es refrigera el cos humà. La suor, bàsicament aigua, en entrar en contacte amb un ambient sec, s'evapora. No obstant això, l'aigua, per tal d’evaporar-se, necessita una energia que pren del nostre propi cos per tal de mantenir així la seva temperatura. Aquest procés es denomina refredament evaporatiu, tècnica que porta emprant-se dècades a la indústria i a les centrals tèrmiques i nuclears com a mecanisme de refrigeració.
Si traslladem això al disseny del Starship, es podria desenvolupar una nau espacial dotada d'una doble pell. La més externa seria porosa, de manera que durant la reentrada circulés entre elles un flux de metà líquid, per exemple, atesa la facilitat per a obtenir-lo a Mart. El metà absorbiria una gran quantitat de calor durant la reentrada, evaporant-se i sortint del vehicle a través dels porus. Però això és massa complex.
Rajoles de tipus ceràmic
La complexitat d'aquesta mena de solucions va fer que SpaceX es decantés per un escut tèrmic passiu que s’assimila bastant amb el Space Shuttle en l’àmbit conceptual.
Durant les últimes proves s'observa que pràcticament dos terços de la superfície de la nau espacial estaran recoberts per més de 18 000 rajoles (en aquest cas de tipus ceràmic) amb forma hexagonal, disposades sobre l'estructura d'acer inoxidable. Entre les rajoles i l'estructura es col·locarà una mena de manta formada per fibres de sílice o alúmina per aïllar l'estructura interna de la part exterior, exposada a temperatures més altes.
Aquestes rajoles es fixen a través de tres punts d'unió, de manera que mantenen cert moviment relatiu entre elles excepte a les parts més crítiques de la nau, on s'utilitza un adhesiu per reduir el risc de despreniment.
L'homogeneïtat del disseny de l'escut fa que resulti relativament senzilla la substitució dels taulells danyats per uns altres, sense necessitat de disposar de recanvis específics per a cadascun d'ells com passava amb el Space Shuttle.
Juntament amb altres innovacions en enginyeria i tecnologia, l'escut tèrmic del Starship facilita el camí per viatjar a Mart, i per a altres exploracions espacials de llarga distància, la qual cosa podria resultar clau per al futur de la humanitat a l'espai.
Aquesta notícia és una traducció de l’article publicat originalment en castellà al portal TheConversation.com.